JP5495069B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

従来、シリコン基板上にAlN層とGaN層とが繰り返し形成されたバッファ領域を設け、その上に窒化物系半導体領域を形成した半導体素子が知られている。このバッファ領域は、シリコン基板と窒化物系半導体領域との間の格子定数差または熱膨張係数差を緩和し、クラックの発生・転位を低減させる機能を有する。しかし、AlN層とGaN層とのヘテロ界面において2次元電子ガスが生成されると、当該2次元電子ガスを介して半導体素子にリーク電流が流れる。このリーク電流を低減するために、AlN層とGaN層の間にAlGaN層を設ける方法が提案された(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特許第4525894号公報
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor element in which a buffer region in which an AlN layer and a GaN layer are repeatedly formed on a silicon substrate is provided and a nitride-based semiconductor region is formed thereon is known. The buffer region has a function of relaxing the lattice constant difference or the thermal expansion coefficient difference between the silicon substrate and the nitride-based semiconductor region and reducing the occurrence of cracks and dislocations. However, when a two-dimensional electron gas is generated at the heterointerface between the AlN layer and the GaN layer, a leak current flows through the semiconductor element via the two-dimensional electron gas. In order to reduce this leakage current, a method of providing an AlGaN layer between the AlN layer and the GaN layer has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
Patent Document 1 Japanese Patent No. 45525894

しかしながら、従来の方法では、バッファ領域により生じる半導体素子の反りを制御することが困難である。バッファ領域により生じる反り量は、バッファ領域の膜厚と、バッファ領域の各層の材料に依存する。バッファ領域の膜厚は、素子の耐圧等を考慮して予め定められているので、反り量を調整するためにバッファ領域の膜厚を調整することは困難である。このため、従来のように、AlN層、GaN層およびAlGaN層を繰り返して積層してバッファ領域を形成すると、反り量を調整することが困難である。   However, in the conventional method, it is difficult to control the warp of the semiconductor element caused by the buffer region. The amount of warp caused by the buffer region depends on the film thickness of the buffer region and the material of each layer of the buffer region. Since the thickness of the buffer region is determined in advance in consideration of the breakdown voltage of the element, it is difficult to adjust the thickness of the buffer region in order to adjust the amount of warpage. For this reason, when the buffer region is formed by repeatedly laminating the AlN layer, the GaN layer, and the AlGaN layer as in the prior art, it is difficult to adjust the amount of warpage.

本発明の第1の態様においては、基板と、基板の上方に形成された第1のバッファ領域と、第1のバッファ領域上に形成された第2のバッファ領域と、第2のバッファ領域上に形成された活性層と、活性層上に形成された少なくとも2つの電極とを備え、第1のバッファ領域は、第1の格子定数を有する第1半導体層と、第1の格子定数と異なる第2の格子定数を有する第2半導体層とが順に積層した複合層を少なくとも一層有し、第2のバッファ領域は、第1の格子定数と略等しい第3の格子定数を有する第3半導体層と、第4の格子定数を有する第4半導体層と、第2の格子定数と略等しい第5の格子定数を有する第5半導体層とが順に積層した複合層を少なくとも一層有し、第4の格子定数は、第3の格子定数と第5の格子定数の間の値を有する半導体素子が提供される。   In the first aspect of the present invention, the substrate, the first buffer region formed above the substrate, the second buffer region formed on the first buffer region, and the second buffer region The first buffer region is different from the first lattice constant and the first semiconductor layer having the first lattice constant, and the active layer formed on the active layer and at least two electrodes formed on the active layer. A third semiconductor layer having at least one composite layer in which a second semiconductor layer having a second lattice constant is sequentially stacked, and the second buffer region has a third lattice constant substantially equal to the first lattice constant; A composite layer in which a fourth semiconductor layer having a fourth lattice constant and a fifth semiconductor layer having a fifth lattice constant substantially equal to the second lattice constant are sequentially stacked, The lattice constant is between the third lattice constant and the fifth lattice constant. Semiconductor device having a are provided.

本発明の第2の態様においては、基板を用意する工程と、基板の上方に第1のバッファ領域を形成する工程と、第1のバッファ領域上に第2のバッファ領域を形成する工程と、第2のバッファ領域上に活性層を形成する工程と、活性層上に少なくとも2つの電極を形成する工程とを備え、第1のバッファ領域を形成する工程は、第1の格子定数を有する第1半導体層を形成する工程と、第1の格子定数と異なる第2の格子定数を有する第2半導体層を形成する工程とを順に含むサイクルを少なくとも一回繰り返す工程を有し、第2のバッファ領域を形成する工程は、第1の格子定数と略等しい第3の格子定数を有する第3半導体層を形成する工程と、第4の格子定数を有する第4半導体層を形成する工程と、第2の格子定数と略等しい第5の格子定数を有する第5半導体層とを形成する工程とを順に含むサイクルを少なくとも一回繰り返す工程を有し、第4の格子定数は、第3の格子定数と第5の格子定数の間の値を有する半導体素子の製造方法が提供される。   In the second aspect of the present invention, a step of preparing a substrate, a step of forming a first buffer region above the substrate, a step of forming a second buffer region on the first buffer region, A step of forming an active layer on the second buffer region; and a step of forming at least two electrodes on the active layer, wherein the step of forming the first buffer region has a first lattice constant. A step of repeating at least once a cycle including a step of forming one semiconductor layer and a step of forming a second semiconductor layer having a second lattice constant different from the first lattice constant; The step of forming the region includes a step of forming a third semiconductor layer having a third lattice constant substantially equal to the first lattice constant, a step of forming a fourth semiconductor layer having a fourth lattice constant, A fifth value substantially equal to the lattice constant of 2 A step of repeating a cycle including a step of forming a fifth semiconductor layer having a child constant at least once, and the fourth lattice constant is a value between the third lattice constant and the fifth lattice constant. There is provided a method for manufacturing a semiconductor device having:

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。   It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.

本発明の第1実施形態に係る半導体素子の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor element according to a first embodiment of the present invention. 基板上にエピタキシャル層を成長する途中におけるウエハ全体の反りの方向と反り量を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the direction and amount of curvature of the whole wafer in the middle of growing an epitaxial layer on a substrate. 図1に示す半導体素子の第2のバッファ領域の膜厚方向におけるAl組成比の変化を示す。The change of the Al composition ratio in the film thickness direction of the 2nd buffer area | region of the semiconductor element shown in FIG. 1 is shown. GaN層とAlN層を順に積層した積層構造の深さ方向におけるエネルギーバンド図を示す。The energy band figure in the depth direction of the laminated structure which laminated | stacked the GaN layer and the AlN layer in order is shown. 図1に示す半導体素子の第2のバッファ領域の深さ方向におけるエネルギーバンド図を示す。The energy band figure in the depth direction of the 2nd buffer area | region of the semiconductor element shown in FIG. 1 is shown. 図1に示す半導体素子の第4半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。Another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 1 is shown. 図1に示す半導体素子の第4半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。Another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 1 is shown. 図1に示す半導体素子の第4半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。Another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 1 is shown. 図1に示す半導体素子の第4半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。Another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 1 is shown. 図1に示す半導体素子の第4半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。Another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 1 is shown. 図1に示す半導体素子の第4半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。Another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 1 is shown. 図1に示す半導体素子の第4半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。Another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 1 is shown. 本発明の第2実施形態に係る半導体素子の断面図を示す。Sectional drawing of the semiconductor element which concerns on 2nd Embodiment of this invention is shown. 図13に示す半導体素子の第2のバッファ領域の膜厚方向におけるAl組成比の変化を示す13 shows changes in the Al composition ratio in the film thickness direction of the second buffer region of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第4半導体層及び第6半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。14 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第4半導体層及び第6半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。14 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第4半導体層及び第6半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。14 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第4半導体層及び第6半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。14 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第4半導体層及び第6半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。14 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第4半導体層及び第6半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。14 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第4半導体層及び第6半導体層におけるAl組成比変化の他の例を示す。14 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第4半導体層または第6半導体層と隣接する層との境界において極薄い半導体層が形成された場合のAl組成比変化の例を示す。14 shows an example of change in Al composition ratio when an extremely thin semiconductor layer is formed at the boundary between a fourth semiconductor layer or a sixth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 13 and an adjacent layer. 図13に示す半導体素子の第4半導体層または第6半導体層と隣接する層との境界において極薄い半導体層が形成された場合のAl組成比変化の他の例を示す。14 shows another example of Al composition ratio change when an extremely thin semiconductor layer is formed at the boundary between the fourth semiconductor layer or the sixth semiconductor layer and the adjacent layer of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第4半導体層または第6半導体層と隣接する層との境界において極薄い半導体層が形成された場合のAl組成比変化の他の例を示す。14 shows another example of Al composition ratio change when an extremely thin semiconductor layer is formed at the boundary between the fourth semiconductor layer or the sixth semiconductor layer and the adjacent layer of the semiconductor element shown in FIG. 図13に示す半導体素子の第2のバッファ領域における複合層ごとの第4半導体層及び第6半導体層の層厚を変化させた例を示す。14 shows an example in which the layer thickness of the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer for each composite layer in the second buffer region of the semiconductor element shown in FIG. 13 is changed. 図13に示す半導体素子の各複合層における第4半導体層42と第6半導体層44の層厚の関係を示す。The relationship of the layer thickness of the 4th semiconductor layer 42 and the 6th semiconductor layer 44 in each composite layer of the semiconductor element shown in FIG. 13 is shown. 図13に示す半導体素子の総膜厚を一定にし、かつ、総複合層数を12として、第2のバッファ領域の複合層数のみを変化させた場合のAlGaN層数とリーク電流及び反り量との関係を示す。The total number of AlGaN layers, the leakage current, and the amount of warpage when the total film thickness of the semiconductor element shown in FIG. 13 is constant and the total number of composite layers is 12 and only the number of composite layers in the second buffer region is changed. The relationship is shown. 図13に示す半導体素子の第2のバッファ領域の第4半導体層及び第6半導体層の厚さとリーク電流との関係を示す。14 shows a relationship between the thickness of the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer in the second buffer region of the semiconductor element shown in FIG. 13 and the leakage current. 図13に示す半導体素子の第5半導体層の全層をAlGaNに置き換えた場合の第5半導体層のAlの組成比とリーク電流との関係を示す。FIG. 14 shows the relationship between the Al composition ratio of the fifth semiconductor layer and the leakage current when the entire fifth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 13 is replaced with AlGaN. 図13に示す半導体素子の第2半導体層及び第5半導体層中にドーピングするC濃度とリーク電流との関係を示す。14 shows a relationship between a C concentration doped into the second semiconductor layer and the fifth semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 13 and a leakage current. 図13に示す半導体素子の第1半導体層及び第3半導体層中にドーピングするC濃度とリーク電流との関係を示す。14 shows the relationship between the C concentration doped into the first semiconductor layer and the third semiconductor layer of the semiconductor element shown in FIG. 13 and the leakage current. 図13に示す半導体素子の第1のバッファ領域の第1半導体層の層厚及び複合層数、第2のバッファ領域の複合層数及び第3半導体層の層厚が異なる例1から5を示す。Examples 1 to 5 in which the thickness and the number of composite layers of the first semiconductor layer in the first buffer region of the semiconductor element shown in FIG. 13, the number of composite layers in the second buffer region and the thickness of the third semiconductor layer are different are shown. . 図32に示す例1から例5の反り量及びリーク電流の測定結果を示す。The measurement result of the curvature amount and leakage current of Example 1 to Example 5 shown in FIG. 32 is shown.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体素子100の断面図である。ここでは、半導体素子100としてHEMTを例に説明するが、それに限定されない。半導体素子100は、基板10と、介在層20と、基板10の上方に形成された第1のバッファ領域30と、第1のバッファ領域上に形成された第2のバッファ領域40と、第2のバッファ領域40上に形成された活性層70と、活性層70上に形成された少なくとも2つの電極(本例ではソース電極72、ゲート電極74、ドレイン電極76)とを備える。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention. Here, the HEMT is described as an example of the semiconductor element 100, but is not limited thereto. The semiconductor element 100 includes a substrate 10, an intervening layer 20, a first buffer region 30 formed above the substrate 10, a second buffer region 40 formed on the first buffer region, and a second An active layer 70 formed on the buffer region 40 and at least two electrodes (in this example, a source electrode 72, a gate electrode 74, and a drain electrode 76) formed on the active layer 70.

基板10は、第1のバッファ領域30、第2のバッファ領域40及び活性層70の支持体として機能する。基板10は、主表面が(111)面のシリコン単結晶基板であってよい。主表面は、第1のバッファ領域30、第2のバッファ領域40が積層される面を指す。基板10は、例えば、直径が約10cmである。   The substrate 10 functions as a support for the first buffer region 30, the second buffer region 40, and the active layer 70. The substrate 10 may be a silicon single crystal substrate whose main surface is a (111) plane. The main surface refers to a surface on which the first buffer region 30 and the second buffer region 40 are stacked. The substrate 10 has a diameter of about 10 cm, for example.

介在層20は、基板10と、第1のバッファ領域30との化学反応を防止する合金防止層として機能する。介在層20は、例えば、アンドープのAlNである。介在層20の格子定数は、基板10より小さくてよい。また、介在層20の熱膨張係数は、基板10より大きくてよい。基板10がシリコン基板の場合、格子定数が0.384nmであり、熱膨張係数が3.59×10−6/Kである。また、介在層20がAlNの場合、介在層20の格子定数は、0.3112nmであり、熱膨張係数は4.2×10−6/Kである。また、介在層20の厚さは、例えば40nmである。 The intervening layer 20 functions as an alloy prevention layer that prevents a chemical reaction between the substrate 10 and the first buffer region 30. The intervening layer 20 is, for example, undoped AlN. The lattice constant of the intervening layer 20 may be smaller than that of the substrate 10. Further, the thermal expansion coefficient of the intervening layer 20 may be larger than that of the substrate 10. When the substrate 10 is a silicon substrate, the lattice constant is 0.384 nm and the thermal expansion coefficient is 3.59 × 10 −6 / K. When the intervening layer 20 is AlN, the intervening layer 20 has a lattice constant of 0.3112 nm and a thermal expansion coefficient of 4.2 × 10 −6 / K. The thickness of the intervening layer 20 is 40 nm, for example.

第1のバッファ領域30は、第1の格子定数を有する第1半導体層31と、第2の格子定数を有する第2半導体層32とが順に積層した複合層を少なくとも一層有する。第2の格子定数は第1の格子定数と異なる。第1半導体層31は、介在層20上に形成される。第1半導体層31は、基板10よりも格子定数が小さい第1の格子定数を有してよい。また、第1半導体層31は、基板10よりも大きな熱膨張係数を有してよい。第1半導体層31はAlx1Iny1Ga1−x1−y1N(ただし、0≦x1<1、0≦y1≦1、x1+y1≦1)を含む。第1半導体層31は、例えばGaNである。この場合、第1半導体層31の第1の格子定数は、0.3189nmであり、熱膨張係数は、5.59×10−6/Kである。 The first buffer region 30 includes at least one composite layer in which a first semiconductor layer 31 having a first lattice constant and a second semiconductor layer 32 having a second lattice constant are sequentially stacked. The second lattice constant is different from the first lattice constant. The first semiconductor layer 31 is formed on the intervening layer 20. The first semiconductor layer 31 may have a first lattice constant that is smaller than the substrate 10. The first semiconductor layer 31 may have a larger thermal expansion coefficient than the substrate 10. The first semiconductor layer 31 includes Al x1 In y1 Ga 1-x1-y1 N (where 0 ≦ x1 <1, 0 ≦ y1 ≦ 1, x1 + y1 ≦ 1). The first semiconductor layer 31 is, for example, GaN. In this case, the first lattice constant of the first semiconductor layer 31 is 0.3189 nm, and the thermal expansion coefficient is 5.59 × 10 −6 / K.

第2半導体層32は、第1半導体層31に接してその上に形成される。第2半導体層32は、第1半導体層31より格子定数が小さい第2の格子定数を有してよい。また、第2半導体層32は、基板10よりも大きな熱膨張係数を有してよい。第2半導体層32はAlx2Iny2Ga1−x2−y2N(ただし、0<x2≦1、0≦y2≦1、x2+y2≦1)を含む。第2半導体層32は、例えばAlNである。この場合、第2半導体層32の第2の格子定数は、0.3112nmであり、熱膨張係数は、4.2×10−6/Kである。 The second semiconductor layer 32 is formed on and in contact with the first semiconductor layer 31. The second semiconductor layer 32 may have a second lattice constant that is smaller than the first semiconductor layer 31. The second semiconductor layer 32 may have a larger thermal expansion coefficient than the substrate 10. The second semiconductor layer 32 includes Al x2 In y2 Ga 1-x2-y2 N (where 0 <x2 ≦ 1, 0 ≦ y2 ≦ 1, x2 + y2 ≦ 1). The second semiconductor layer 32 is, for example, AlN. In this case, the second lattice constant of the second semiconductor layer 32 is 0.3112 nm, and the thermal expansion coefficient is 4.2 × 10 −6 / K.

第1のバッファ領域30は、基板10と活性層70との間の格子定数差及び熱膨張係数差に起因する歪みを緩和する。また、第1のバッファ領域30は、エピタキシャル成長が完了したエピタキシャル基板の反りを調整する。第1のバッファ領域30は、第1半導体層31と第2半導体層32とが順に積層された複合層を例えば6層有する。   The first buffer region 30 relieves strain caused by a lattice constant difference and a thermal expansion coefficient difference between the substrate 10 and the active layer 70. Further, the first buffer region 30 adjusts the warp of the epitaxial substrate after the epitaxial growth is completed. The first buffer region 30 has, for example, six composite layers in which a first semiconductor layer 31 and a second semiconductor layer 32 are sequentially stacked.

それぞれの複合層において、第1半導体層31の層厚は異なってよい。第1半導体層31の膜厚は、基板10から離れるに従って増大してよい。例えば第1半導体層31の膜厚は、基板10側から順に、130nm、150nm、180nm、210nm、250nm、300nmである。第2半導体層32の層厚は、例えば、60nmで一定であってよい。   In each composite layer, the layer thickness of the first semiconductor layer 31 may be different. The film thickness of the first semiconductor layer 31 may increase as the distance from the substrate 10 increases. For example, the film thickness of the first semiconductor layer 31 is 130 nm, 150 nm, 180 nm, 210 nm, 250 nm, and 300 nm in order from the substrate 10 side. The layer thickness of the second semiconductor layer 32 may be constant at 60 nm, for example.

第2のバッファ領域40は、第3の格子定数を有する第3半導体層41と、第4の格子定数を有する第4半導体層42と、第5の格子定数を有する第5半導体層とが順に積層した複合層を少なくとも一層有する。第3の格子定数は第1の格子定数と略等しい。第5の格子定数は第2の格子定数と略等しい。第3半導体層41は最上層の第2半導体層32に接して形成される。なお最上層とは、基板10から最も離れている層を指す。第3半導体層41はAlx3Iny3Ga1−x3−y3N(ただし、0≦x3<1、0≦y3≦1、x3+y3≦1)を含む。第3半導体層41は、例えばGaNである。この場合、第3半導体層41の第3の格子定数は、0.3189nmであり、熱膨張係数は、5.59×10−6/Kである。 The second buffer region 40 includes a third semiconductor layer 41 having a third lattice constant, a fourth semiconductor layer 42 having a fourth lattice constant, and a fifth semiconductor layer having a fifth lattice constant in order. At least one laminated composite layer is provided. The third lattice constant is substantially equal to the first lattice constant. The fifth lattice constant is substantially equal to the second lattice constant. The third semiconductor layer 41 is formed in contact with the uppermost second semiconductor layer 32. The uppermost layer refers to a layer that is farthest from the substrate 10. The third semiconductor layer 41 includes Al x3 In y3 Ga 1-x3-y3 N (where 0 ≦ x3 <1, 0 ≦ y3 ≦ 1, x3 + y3 ≦ 1). The third semiconductor layer 41 is, for example, GaN. In this case, the third lattice constant of the third semiconductor layer 41 is 0.3189 nm, and the thermal expansion coefficient is 5.59 × 10 −6 / K.

第4半導体層42は第3半導体層41に接して形成される。第4半導体層42は、第3の格子定数と第5の格子定数の間の値を有する第4の格子定数を有する。第4半導体層42は、第3半導体層41と第5半導体層43の間の熱膨張係数を有する。第4半導体層42はAlx4Iny4Ga1−x4−y4N(ただし、0<x4≦1、0≦y4≦1、x4+y4≦1)を含む。第4半導体層42は例えばAlGaNである。第4半導体層42は、GaNとAlNとの間にあって、Alの組成比に応じた格子定数及び熱膨張係数を有する。第4半導体層42は、格子定数が、基板10に近い側から遠い側に向かって減少している。つまり、第4半導体層42は、Alの割合が基板10に近い側から遠い側に向かって増加する。 The fourth semiconductor layer 42 is formed in contact with the third semiconductor layer 41. The fourth semiconductor layer 42 has a fourth lattice constant having a value between the third lattice constant and the fifth lattice constant. The fourth semiconductor layer 42 has a thermal expansion coefficient between the third semiconductor layer 41 and the fifth semiconductor layer 43. The fourth semiconductor layer 42 includes Al x4 In y4 Ga 1-x4-y4 N (where 0 <x4 ≦ 1, 0 ≦ y4 ≦ 1, x4 + y4 ≦ 1). The fourth semiconductor layer 42 is, for example, AlGaN. The fourth semiconductor layer 42 is between GaN and AlN, and has a lattice constant and a thermal expansion coefficient corresponding to the Al composition ratio. The fourth semiconductor layer 42 has a lattice constant that decreases from the side closer to the substrate 10 toward the side farther from the side. That is, in the fourth semiconductor layer 42, the Al ratio increases from the side closer to the substrate 10 toward the side farther from the side.

第5半導体層43は第4半導体層42に接して形成される。第5半導体層43はAlx5Iny5Ga1−x5−y5N(ただし、0<x5≦1、0≦y5≦1 、x5+y5≦1)を含む。第5半導体層43は、例えばAlNである。この場合、第5半導体層43の第5の格子定数は、0.3112nmであり、熱膨張係数は、4.2×10−6/Kである。第1半導体層31から第5半導体層43は、Alの組成比の間にx1≒x3、x2≒x5、x1、x3≦x4≦x2、x5の関係を有する。 The fifth semiconductor layer 43 is formed in contact with the fourth semiconductor layer 42. The fifth semiconductor layer 43 includes Al x5 In y5 Ga 1-x5-y5 N (where 0 <x5 ≦ 1, 0 ≦ y5 ≦ 1, x5 + y5 ≦ 1). The fifth semiconductor layer 43 is, for example, AlN. In this case, the fifth lattice constant of the fifth semiconductor layer 43 is 0.3112 nm, and the thermal expansion coefficient is 4.2 × 10 −6 / K. The first semiconductor layer 31 to the fifth semiconductor layer 43 have a relationship of x1≈x3, x2≈x5, x1, x3 ≦ x4 ≦ x2, and x5 between the Al composition ratios.

第2のバッファ領域40は、基板10と活性層70との間の格子定数差及び熱膨張係数差に起因する歪みを緩和する機能を果たす。また、第3半導体層41および第5半導体層43の間に第4半導体層42を有するので、第3半導体層41および第5半導体層43の格子定数差により生じる歪みを低減することができる。結果として、ピエゾ分極により発生する2次元電子ガス量を低減することができる。このため、バッファ領域の抵抗を高く保ちつつ、基板10および活性層70の間の歪みを緩和することができる。   The second buffer region 40 functions to relieve strain caused by the lattice constant difference and the thermal expansion coefficient difference between the substrate 10 and the active layer 70. In addition, since the fourth semiconductor layer 42 is provided between the third semiconductor layer 41 and the fifth semiconductor layer 43, distortion caused by the lattice constant difference between the third semiconductor layer 41 and the fifth semiconductor layer 43 can be reduced. As a result, the amount of two-dimensional electron gas generated by piezo polarization can be reduced. Therefore, the strain between the substrate 10 and the active layer 70 can be alleviated while keeping the resistance of the buffer region high.

第2のバッファ領域40は、第3半導体層41、第4半導体層42及び第5半導体層43とが順に積層された複合層を例えば6層有する。それぞれの複合層において、第3半導体層41の層厚は異なってよい。第1半導体層31の膜厚は、基板10側から離れるに従って増大してよい。例えば、第1半導体層31の膜厚は、基板10側から順に300nm、370nm、470nm、600nm、790nm、1040nmである。第4半導体層42の層厚は例えば60nmで一定であってよい。第5半導体層43の層厚は例えば60nmで一定であってよい。   The second buffer region 40 includes, for example, six composite layers in which a third semiconductor layer 41, a fourth semiconductor layer 42, and a fifth semiconductor layer 43 are sequentially stacked. In each composite layer, the layer thickness of the third semiconductor layer 41 may be different. The film thickness of the first semiconductor layer 31 may increase as the distance from the substrate 10 side increases. For example, the film thickness of the first semiconductor layer 31 is 300 nm, 370 nm, 470 nm, 600 nm, 790 nm, and 1040 nm in order from the substrate 10 side. The layer thickness of the fourth semiconductor layer 42 may be constant, for example, 60 nm. The layer thickness of the fifth semiconductor layer 43 may be constant, for example, 60 nm.

活性層70は、電子走行層50と、電子供給層60とを有する。電子走行層50は、最上層の第5半導体層43と接して形成される。電子走行層50は電子供給層60とのヘテロ結合界面に低抵抗の2次元電子ガスを形成する。電子走行層50はアンドープのGaNを含んでよい。電子走行層50は例えば1200nmの厚さを有する。電子供給層60は、電子走行層50に接して形成される。電子供給層60は、電子走行層50に電子を供給する。電子供給層60は、例えばSiのようなn型不純物がドープされたAlGaNを含む。電子供給層60は例えば25nmの厚さを有する。   The active layer 70 includes an electron transit layer 50 and an electron supply layer 60. The electron transit layer 50 is formed in contact with the uppermost fifth semiconductor layer 43. The electron transit layer 50 forms a low-resistance two-dimensional electron gas at the heterojunction interface with the electron supply layer 60. The electron transit layer 50 may include undoped GaN. The electron transit layer 50 has a thickness of 1200 nm, for example. The electron supply layer 60 is formed in contact with the electron transit layer 50. The electron supply layer 60 supplies electrons to the electron transit layer 50. The electron supply layer 60 includes AlGaN doped with an n-type impurity such as Si. The electron supply layer 60 has a thickness of, for example, 25 nm.

ソース電極72及びドレイン電極76は、電子供給層60にオーミック接触するTi/Alの積層構造を有してよい。ゲート電極74は電子供給層60にショットキー接触するPt/Auの積層構造を有してよい。   The source electrode 72 and the drain electrode 76 may have a laminated structure of Ti / Al that is in ohmic contact with the electron supply layer 60. The gate electrode 74 may have a Pt / Au stacked structure in Schottky contact with the electron supply layer 60.

図2は、基板10上に第1のバッファ領域30および第2のバッファ領域40をそれぞれエピタキシャル成長させた場合における、ウエハ全体の反りの方向と反り量を説明する説明図である。横軸はエピタキシャル成長中の積層厚を示し、縦軸は基板10の積層面に対して凸方向の反りをプラス、凹方向の反りをマイナスとした反り量を示す。   FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the direction and amount of warpage of the entire wafer when the first buffer region 30 and the second buffer region 40 are each epitaxially grown on the substrate 10. The abscissa represents the stacking thickness during the epitaxial growth, and the ordinate represents the amount of warping with the convex warpage being plus and the concave warping being minus with respect to the stacking surface of the substrate 10.

本例において、第1のバッファ領域30は、GaN/AlNの複合層を6層、及び、活性層70を含み、第2のバッファ領域40は、GaN/AlGaN/AlNの複合層を6層、及び、活性層70を含む。線L1は、基板10に介在層20、第1のバッファ領域30および活性層70をエピタキシャル成長させた場合のウエハの反り量を示す。また、線L2は、基板10に介在層20、第2のバッファ領域40および活性層70をエピタキシャル成長させた場合のウエハの反り量を示す。   In this example, the first buffer region 30 includes six GaN / AlN composite layers and an active layer 70, and the second buffer region 40 includes six GaN / AlGaN / AlN composite layers, In addition, the active layer 70 is included. A line L1 indicates the amount of warpage of the wafer when the intervening layer 20, the first buffer region 30, and the active layer 70 are epitaxially grown on the substrate 10. A line L2 indicates the amount of warpage of the wafer when the intervening layer 20, the second buffer region 40, and the active layer 70 are epitaxially grown on the substrate 10.

各層は、900℃〜1300℃の成長温度で形成される。また、本例の第1のバッファ領域30におけるGaN層の厚さは、第2のバッファ領域40におけるGaN/AlGaN層の厚さと略等しい。また、本例の第1のバッファ領域30におけるAlN層の厚さは、第2のバッファ領域40におけるAlN層の厚さと略等しい。   Each layer is formed at a growth temperature of 900 ° C. to 1300 ° C. In addition, the thickness of the GaN layer in the first buffer region 30 of this example is substantially equal to the thickness of the GaN / AlGaN layer in the second buffer region 40. Further, the thickness of the AlN layer in the first buffer region 30 of this example is substantially equal to the thickness of the AlN layer in the second buffer region 40.

線L1を参照して、基板10上に第1のバッファ領域30を構成するGaN/AlNの複合層を形成する場合の反り量の変化を説明する。まず、基板10上に介在層20が形成される。介在層20はAlNを含むのでSiを含む基板10より格子定数が小さい。したがって介在層20には引っ張り応力が働く。その結果、反りはマイナスの方向に発生する。   With reference to the line L1, a change in the amount of warpage when a GaN / AlN composite layer constituting the first buffer region 30 is formed on the substrate 10 will be described. First, the intervening layer 20 is formed on the substrate 10. Since the intervening layer 20 contains AlN, the lattice constant is smaller than that of the substrate 10 containing Si. Accordingly, tensile stress acts on the intervening layer 20. As a result, warpage occurs in the negative direction.

次に、介在層20に接して介在層20の上に第1半導体層31が形成される。第1半導体層31はGaNを含むので介在層20より格子定数が大きい。したがって第1半導体層31には圧縮応力が働く。その結果、反りはプラスの方向に発生する。次に、第1半導体層31に接して第1半導体層31の上に第2半導体層32が形成される。第2半導体層32はAlNを含むので第1半導体層31より格子定数が小さい。したがって第2半導体層32には引っ張り応力が働く。その結果、反りは再びマイナスの方向に発生する。   Next, the first semiconductor layer 31 is formed on the intermediate layer 20 in contact with the intermediate layer 20. Since the first semiconductor layer 31 contains GaN, it has a larger lattice constant than the intervening layer 20. Therefore, compressive stress acts on the first semiconductor layer 31. As a result, warping occurs in the positive direction. Next, the second semiconductor layer 32 is formed on the first semiconductor layer 31 in contact with the first semiconductor layer 31. Since the second semiconductor layer 32 contains AlN, the lattice constant is smaller than that of the first semiconductor layer 31. Accordingly, tensile stress acts on the second semiconductor layer 32. As a result, warpage occurs again in the negative direction.

第1のバッファ領域30の最上層の第2半導体層32に接して活性層70が形成され、エピタキシャル成長が終了した時点で、ウエハ全体の反り量はプラスの大きな値Q1となっている。その後、基板温度を常温に戻すと、介在層20、第1のバッファ領域30、活性層70の熱膨張係数が基板10よりも大きいので、基板温度の低下に伴い反りがマイナスの方向に発生する。最終的なウエハ全体の反り量は、例えばゼロに近い点P1となる。   When the active layer 70 is formed in contact with the uppermost second semiconductor layer 32 of the first buffer region 30 and the epitaxial growth is completed, the warpage amount of the entire wafer has a large positive value Q1. Thereafter, when the substrate temperature is returned to room temperature, the thermal expansion coefficients of the intervening layer 20, the first buffer region 30, and the active layer 70 are larger than those of the substrate 10, so that warpage occurs in the negative direction as the substrate temperature decreases. . The final warpage amount of the entire wafer is, for example, a point P1 close to zero.

次に、線L2を参照して、基板10上に第2のバッファ領域40を構成するGaN/AlGaN/AlNの複合層を形成する場合の反り量の変化を説明する。まず、基板10上に介在層20が形成される。上述したように、介在層20による反りはマイナスの方向に発生する。次に介在層20に接して第3半導体層41が形成される。第3半導体層41はGaNを含むので、上述したように反りはプラスの方向に発生する。   Next, a change in the amount of warpage when a GaN / AlGaN / AlN composite layer constituting the second buffer region 40 is formed on the substrate 10 will be described with reference to the line L2. First, the intervening layer 20 is formed on the substrate 10. As described above, warping due to the intervening layer 20 occurs in the negative direction. Next, the third semiconductor layer 41 is formed in contact with the intervening layer 20. Since the third semiconductor layer 41 includes GaN, warping occurs in the positive direction as described above.

次に第3半導体層41に接して第4半導体層42が形成される。第4半導体層42は、第3半導体層41と第5半導体層43の間の格子定数を有する。したがって、第4半導体層42には第3半導体層41から第5半導体層43に向かって徐々に大きくなる引っ張り応力が働く。その結果、第4半導体層42における反りはマイナスの方向に発生する。   Next, a fourth semiconductor layer 42 is formed in contact with the third semiconductor layer 41. The fourth semiconductor layer 42 has a lattice constant between the third semiconductor layer 41 and the fifth semiconductor layer 43. Accordingly, a tensile stress that gradually increases from the third semiconductor layer 41 toward the fifth semiconductor layer 43 acts on the fourth semiconductor layer 42. As a result, the warp in the fourth semiconductor layer 42 occurs in the negative direction.

次に、第4半導体層42に接して第5半導体層43が形成される。第5半導体層43はAlNを含むので第4半導体層42より格子定数が小さい。したがって第5半導体層43には第4半導体層42より大きな引っ張り応力が働く。その結果、第5半導体層43による反りは、マイナス方向に発生するが、その反り量は、第4半導体層42における反りよりも、単位厚さあたりの変化量が大きい。   Next, a fifth semiconductor layer 43 is formed in contact with the fourth semiconductor layer 42. Since the fifth semiconductor layer 43 contains AlN, the lattice constant is smaller than that of the fourth semiconductor layer 42. Therefore, a tensile stress larger than that of the fourth semiconductor layer 42 acts on the fifth semiconductor layer 43. As a result, the warp caused by the fifth semiconductor layer 43 occurs in the minus direction, but the amount of warp is larger in the amount of change per unit thickness than the warp in the fourth semiconductor layer 42.

本例の第2のバッファ領域40はAlGaN層を含むので、第2のバッファ領域40の上に活性層70が形成され、エピタキシャル成長が終了した時点で、ウエハ全体の反り量は、Q1に比べ小さいプラスの値Q2となっている。その後、基板温度を常温に戻すと、介在層20、第2のバッファ領域40、活性層70の熱膨張係数が基板10よりも大きいので、基板温度の低下に伴い反りがマイナスの方向に発生する。最終的なウエハ全体の反り量は、例えばマイナスの大きい点P2となり、点P1とは異なる。なお、当該マイナス方向の反りは膜厚に依存するので、点Q1から点P1までの変化量と、点Q2から点P2までの変化量とは略等しい。   Since the second buffer region 40 of this example includes an AlGaN layer, when the active layer 70 is formed on the second buffer region 40 and the epitaxial growth is completed, the warpage amount of the entire wafer is smaller than Q1. It is a positive value Q2. Thereafter, when the substrate temperature is returned to room temperature, the thermal expansion coefficients of the intervening layer 20, the second buffer region 40, and the active layer 70 are larger than those of the substrate 10, so that warpage occurs in the negative direction as the substrate temperature decreases. . The final warpage amount of the entire wafer is, for example, a negative point P2, which is different from the point P1. Since the negative warpage depends on the film thickness, the amount of change from the point Q1 to the point P1 is substantially equal to the amount of change from the point Q2 to the point P2.

図2より、第1のバッファ領域30および第2のバッファ領域40は、同一の膜厚でエピタキシャル成長させた場合の反り量が異なる。従って、第1のバッファ領域30および第2のバッファ領域40の総膜厚が決まっている場合でも、第1のバッファ領域30および第2のバッファ領域40の膜厚比等を調整することで、反り量を調整することができる。   As shown in FIG. 2, the first buffer region 30 and the second buffer region 40 have different amounts of warpage when epitaxially grown with the same film thickness. Therefore, even when the total film thickness of the first buffer region 30 and the second buffer region 40 is determined, by adjusting the film thickness ratio of the first buffer region 30 and the second buffer region 40, etc. The amount of warpage can be adjusted.

実験で確認したところ、第2のバッファ領域40のみで所定の膜厚のバッファ領域を形成した第1実験例の場合、ウエハの反り量はマイナス方向に100μmとなった。一方、第1のバッファ領域30と第2のバッファ領域40を組み合わせて、第1実験例と同程度の膜厚のバッファ領域を形成した第2実験例の場合、ウエハの反り量をマイナス方向に10μm程度にすることができた。したがって、第1のバッファ領域30と第2のバッファ領域40とを組み合わせることで、バッファ領域を厚膜化しつつ反り量を調整することができる。   As a result of an experiment, in the case of the first experimental example in which the buffer region having a predetermined film thickness was formed only by the second buffer region 40, the amount of warpage of the wafer was 100 μm in the minus direction. On the other hand, in the case of the second experimental example in which the first buffer region 30 and the second buffer region 40 are combined to form a buffer region having the same film thickness as that of the first experimental example, the amount of warpage of the wafer is reduced in the negative direction. The thickness could be about 10 μm. Therefore, by combining the first buffer region 30 and the second buffer region 40, the amount of warpage can be adjusted while increasing the thickness of the buffer region.

図3は、第2のバッファ領域40の膜厚方向におけるAl組成比の変化を示す。ここでは、第3半導体層41のAlの割合を0%とし、第5半導体層43のAlの割合を100%として示すが、これに限定されない。第4半導体層42のAlの割合は第3半導体層41から第5半導体層43に向かって直線的に増加している。   FIG. 3 shows a change in the Al composition ratio in the film thickness direction of the second buffer region 40. Here, the Al ratio of the third semiconductor layer 41 is set to 0%, and the Al ratio of the fifth semiconductor layer 43 is set to 100%. However, the present invention is not limited to this. The proportion of Al in the fourth semiconductor layer 42 increases linearly from the third semiconductor layer 41 toward the fifth semiconductor layer 43.

図4は、GaN層54とAlN層52を順に積層した積層構造の深さ方向におけるエネルギーバンド図である。GaN層54はAlN層52に比べ格子定数が大きい。GaN層54の上にGaN層54よりも格子定数の小さいAlN層52を形成することにより、結晶の歪みが生じAlN層52に引っ張り応力が加わる。その結果、ヘテロ界面で自発分極に加えピエゾ電界分極が生じ、伝導帯Ecがフェルミレベルよりも下側に突出した三角ポテンシャル56が発生する。この領域に電子が溜まり2次元電子ガスが生成される。2次元電子ガスが生成された領域は低抵抗となり、リーク電流の通路となる。   FIG. 4 is an energy band diagram in the depth direction of the laminated structure in which the GaN layer 54 and the AlN layer 52 are laminated in order. The GaN layer 54 has a larger lattice constant than the AlN layer 52. By forming the AlN layer 52 having a lattice constant smaller than that of the GaN layer 54 on the GaN layer 54, crystal distortion occurs and tensile stress is applied to the AlN layer 52. As a result, piezoelectric field polarization occurs in addition to spontaneous polarization at the hetero interface, and a triangular potential 56 is generated in which the conduction band Ec protrudes below the Fermi level. Electrons accumulate in this region and a two-dimensional electron gas is generated. The region in which the two-dimensional electron gas is generated has a low resistance and becomes a leakage current path.

第1のバッファ領域30は、図4に示した例と同様のエネルギーバンドを有するが、第1のバッファ領域30と活性層70との間に第2のバッファ領域40が設けられる。このため、第1のバッファ領域30の2次元電子ガスを介して活性層70にリーク電流が流れることを防ぐことができる。そして、第1のバッファ領域30および第2のバッファ領域40を組み合わせることで、全体の反り量を調整することができる。   The first buffer region 30 has the same energy band as the example shown in FIG. 4, but the second buffer region 40 is provided between the first buffer region 30 and the active layer 70. For this reason, it is possible to prevent a leakage current from flowing through the active layer 70 via the two-dimensional electron gas in the first buffer region 30. Then, by combining the first buffer area 30 and the second buffer area 40, the total amount of warpage can be adjusted.

図5は、第2のバッファ領域40の深さ方向におけるエネルギーバンド図である。本例の第4半導体層42は、図3に示したように、Alの組成が徐々に変化する。この場合、第4半導体層42の格子定数も徐々に変化する。したがって、第3半導体層41と第5半導体層43との接合面において大きな歪みが生じないため伝導帯Ecが急激に変化することはなく連続的に変化している。このため、2次元電子ガスのようなキャリアは生成されず、第2のバッファ領域40を介して流れるリーク電流が低減される。   FIG. 5 is an energy band diagram of the second buffer region 40 in the depth direction. In the fourth semiconductor layer 42 of this example, the composition of Al gradually changes as shown in FIG. In this case, the lattice constant of the fourth semiconductor layer 42 also changes gradually. Therefore, since a large distortion does not occur at the joint surface between the third semiconductor layer 41 and the fifth semiconductor layer 43, the conduction band Ec does not change rapidly but changes continuously. For this reason, carriers such as the two-dimensional electron gas are not generated, and the leakage current flowing through the second buffer region 40 is reduced.

また、第1のバッファ領域30のみでバッファ領域を形成した場合の半導体素子100のリーク電流と、第1のバッファ領域30および第2のバッファ領域40を組み合わせてバッファ領域を形成した場合の半導体素子100のリーク電流とを測定した。なお、第1のバッファ領域30はGaN/AlNの積層構造であり、第2のバッファ領域40はGaN/AlGaN/AlNの積層構造とした。また、AlGaN層は、図3に示したように、Alの組成が徐々に変化するものを用いた。   Further, the semiconductor element in the case where the buffer region is formed by combining the leakage current of the semiconductor element 100 when the buffer area is formed only by the first buffer area 30 and the first buffer area 30 and the second buffer area 40. 100 leakage currents were measured. The first buffer region 30 has a stacked structure of GaN / AlN, and the second buffer region 40 has a stacked structure of GaN / AlGaN / AlN. As the AlGaN layer, as shown in FIG. 3, a layer in which the Al composition gradually changes was used.

ゲート電極74の幅を1mm、長さを10μm、ソース電極72とドレイン電極76との距離を15μmとし、ゲート電極74に−6V、ソース電極72とドレイン電極76との間に600Vの電圧を印加してドレイン電極76に流れるリーク電流を測定した。第1のバッファ領域30のみでバッファ領域を形成した場合、リーク電流は約1E−6Aであった。一方、第1のバッファ領域30と第2のバッファ領域40を組み合わせてバッファ領域を形成した場合、リーク電流は約1E−8Aであった。したがって、第1のバッファ領域30と第2のバッファ領域40を組み合わせることにより、厚膜化しつつ反りを低減でき、かつ、リーク電流を低減できることがわかった。   The gate electrode 74 has a width of 1 mm, a length of 10 μm, a distance between the source electrode 72 and the drain electrode 76 of 15 μm, and a voltage of −6 V is applied to the gate electrode 74 and a voltage of 600 V is applied between the source electrode 72 and the drain electrode 76. The leakage current flowing through the drain electrode 76 was measured. When the buffer region was formed only by the first buffer region 30, the leakage current was about 1E-6A. On the other hand, when the buffer region was formed by combining the first buffer region 30 and the second buffer region 40, the leakage current was about 1E-8A. Therefore, it has been found that by combining the first buffer region 30 and the second buffer region 40, warpage can be reduced while increasing the thickness, and leakage current can be reduced.

図6は、第4半導体層42におけるAl組成比変化の他の例を示す。Alの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて曲線状に増加している。なお、Alの組成比の増加は、第5半導体層43に近いほど急峻である。このような構成によっても、半導体素子100のリーク電流を低減することができる。   FIG. 6 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42. The Al composition ratio increases in a curved line from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43. Note that the increase in the Al composition ratio is steeper as it is closer to the fifth semiconductor layer 43. Even with such a configuration, the leakage current of the semiconductor element 100 can be reduced.

図7は、第4半導体層42におけるAl組成比変化の他の例を示す。Alの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて5%のステップで段階的に増加している。第4半導体層42をこのように構成した場合であっても、半導体素子100のリーク電流を低減することができる。   FIG. 7 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42. The Al composition ratio increases stepwise from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43 in 5% steps. Even when the fourth semiconductor layer 42 is configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 100 can be reduced.

図8は、第4半導体層42におけるAl組成比変化の他の例を示す。Alの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて25%のステップで段階的に増加している。第4半導体層42をこのように構成した場合であっても、半導体素子100のリーク電流を低減することができる。   FIG. 8 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42. The Al composition ratio increases stepwise from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43 in 25% steps. Even when the fourth semiconductor layer 42 is configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 100 can be reduced.

図9は、第4半導体層42におけるAl組成比変化の他の例を示す。Alの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて途中まで曲線状に増加し、途中から段階的に増加している。Alの組成比が曲線状に変化する領域では、第5半導体層43に近いほど、Alの組成比の増加が急峻である。第4半導体層42をこのように構成した場合であっても、半導体素子100のリーク電流を低減することができる。   FIG. 9 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42. The Al composition ratio increases in a curved line from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43, and gradually increases from the middle. In the region where the Al composition ratio changes in a curved line, the Al composition ratio increases more rapidly as it is closer to the fifth semiconductor layer 43. Even when the fourth semiconductor layer 42 is configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 100 can be reduced.

図10は、第4半導体層42におけるAl組成比変化の他の例を示す。Alの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて途中まで直線的に増加し、その後一端減少し、再び直線的に増加している。第4半導体層42をこのように構成した場合であっても、半導体素子100のリーク電流を低減することができる。   FIG. 10 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42. The composition ratio of Al increases linearly halfway from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43, then decreases once, and increases linearly again. Even when the fourth semiconductor layer 42 is configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 100 can be reduced.

図11は、第4半導体層42におけるAl組成比変化の他の例を示す。第4半導体層42は、厚さが第5半導体層43より薄く、第5半導体層43と同一組成の層62を、第5半導体層43から離間した位置に有する。第4半導体層42は、層の途中に厚さが例えば1nmのAlN層を有する。第4半導体層42は、層62を一定の間隔で複数有してよい。こうすることで、さらに反りを制御することができる。また、第4半導体層42をこのように構成した場合であっても、半導体素子100のリーク電流を低減することができる。   FIG. 11 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42. The fourth semiconductor layer 42 is thinner than the fifth semiconductor layer 43, and has a layer 62 having the same composition as the fifth semiconductor layer 43 at a position spaced from the fifth semiconductor layer 43. The fourth semiconductor layer 42 has an AlN layer having a thickness of, for example, 1 nm in the middle of the layer. The fourth semiconductor layer 42 may include a plurality of layers 62 at regular intervals. In this way, warpage can be further controlled. Further, even when the fourth semiconductor layer 42 is configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 100 can be reduced.

図12は、第4半導体層42におけるAl組成比変化の他の例を示す。第4半導体層42は、第3半導体層41との境界及び第5半導体層43との境界の少なくとも一方に、厚さが第5半導体層43より薄く、且つ、境界において第4半導体層42と接する層と異なる組成の層64を有する。例えば、第4半導体層42は、第5半導体層43との境界に、第3半導体層41と同一の組成の層64を有する。   FIG. 12 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42. The fourth semiconductor layer 42 is thinner than the fifth semiconductor layer 43 at at least one of the boundary with the third semiconductor layer 41 and the boundary with the fifth semiconductor layer 43. The layer 64 has a composition different from that of the layer in contact therewith. For example, the fourth semiconductor layer 42 has a layer 64 having the same composition as the third semiconductor layer 41 at the boundary with the fifth semiconductor layer 43.

より具体的には、第4半導体層42は、第5半導体層43との境界に、厚さが例えば1nmのGaN層を有してよい。こうすることで、第2のバッファ領域40の表面の結晶性が向上する。また、第4半導体層42をこのように構成した場合であっても、半導体素子100のリーク電流を低減することができる。   More specifically, the fourth semiconductor layer 42 may have a GaN layer having a thickness of, for example, 1 nm at the boundary with the fifth semiconductor layer 43. By doing so, the crystallinity of the surface of the second buffer region 40 is improved. Further, even when the fourth semiconductor layer 42 is configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 100 can be reduced.

次に、半導体素子100の製造方法を説明する。半導体素子100の製造方法は、基板10を用意する工程と、基板10の上に介在層20を形成する工程と、介在層20の上で基板10の上方に第1のバッファ領域30を形成する工程と、第1のバッファ領域30上に第2のバッファ領域40を形成する工程と、第2のバッファ領域40上に活性層70を形成する工程と、活性層70上に少なくとも2つの電極(72、74、76)を形成する工程とを備える。   Next, a method for manufacturing the semiconductor element 100 will be described. The manufacturing method of the semiconductor element 100 includes a step of preparing the substrate 10, a step of forming the intervening layer 20 on the substrate 10, and forming the first buffer region 30 above the substrate 10 on the intervening layer 20. A step of forming a second buffer region 40 on the first buffer region 30, a step of forming an active layer 70 on the second buffer region 40, and at least two electrodes ( 72, 74, 76).

基板10を用意する工程は、CZ法で作成されたSi(111)基板またはSi(110)基板を用意する工程を含んでよい。介在層20を形成する工程は、基板温度を1100℃に維持して、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、TMA(トリメチルアルミニウム)ガスとNH3ガスを使って、基板10の主面に厚さ約40nmのAlNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。以下の例では、エピタキシャル成長はMOCVD法により行う。以下においてそれぞれの層の成長温度は900℃以上、1300℃以下であってよい。   The step of preparing the substrate 10 may include a step of preparing a Si (111) substrate or a Si (110) substrate created by the CZ method. The step of forming the intervening layer 20 is performed by maintaining the substrate temperature at 1100 ° C. and using the TMA (trimethylaluminum) gas and the NH 3 gas by the MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method to increase the thickness on the main surface of the substrate 10. A step of depositing about 40 nm of AlN by epitaxial growth may be included. In the following example, epitaxial growth is performed by the MOCVD method. In the following, the growth temperature of each layer may be 900 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower.

第1のバッファ領域30を形成する工程は、第1の格子定数を有する第1半導体層31を形成する工程と、第2の格子定数を有する第2半導体層32を形成する工程とを順に含むサイクルを少なくとも一回繰り返す工程を有する。第2の格子定数は第1の格子定数と異なる。第1の格子定数は基板10の格子定数より小さくてよい。第2格子定数は第1の格子定数より小さくてよい。   The step of forming the first buffer region 30 includes a step of forming the first semiconductor layer 31 having the first lattice constant and a step of forming the second semiconductor layer 32 having the second lattice constant. Repeating the cycle at least once. The second lattice constant is different from the first lattice constant. The first lattice constant may be smaller than the lattice constant of the substrate 10. The second lattice constant may be smaller than the first lattice constant.

第1半導体層31を形成する工程は、介在層20を形成した後に、TMG(トリメチルガリウム)ガス及びNH3ガスを供給し、介在層20の上にGaNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。第2半導体層32を形成する工程は、第1半導体層31を形成した後に、TMAガス及びNH3ガスを供給し、第1半導体層31の上に厚さ60nmのAlNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。第1のバッファ領域30を形成する工程は、これらを順に含むサイクルを繰り返し、成長時間を調節して第1半導体層31のGaNの厚さを、130nm、150nm、180nm、210nm、250nm、300nmのように変化させる工程を含んでよい。   The step of forming the first semiconductor layer 31 may include the step of supplying TMG (trimethyl gallium) gas and NH 3 gas after forming the intervening layer 20 and depositing GaN on the intervening layer 20 by epitaxial growth. The step of forming the second semiconductor layer 32 includes the step of depositing AlN having a thickness of 60 nm on the first semiconductor layer 31 by epitaxial growth after supplying the TMA gas and the NH 3 gas after forming the first semiconductor layer 31. May include. In the step of forming the first buffer region 30, a cycle including these steps is repeated, and the growth time is adjusted so that the GaN thickness of the first semiconductor layer 31 is 130 nm, 150 nm, 180 nm, 210 nm, 250 nm, and 300 nm. The step of changing may be included.

第2のバッファ領域40を形成する工程は、第3の格子定数を有する第3半導体層41を形成する工程と、第4の格子定数を有する第4半導体層42を形成する工程と、第5の格子定数を有する第5半導体層43とを形成する工程とを順に含むサイクルを少なくとも一回繰り返す工程を有する。第3の格子定数は第1の格子定数と略等しい。第5の格子定数は第2の格子定数と略等しい。第4の格子定数は、第3の格子定数と第5の格子定数の間の値を有する。   The step of forming the second buffer region 40 includes a step of forming a third semiconductor layer 41 having a third lattice constant, a step of forming a fourth semiconductor layer 42 having a fourth lattice constant, And a step of forming a fifth semiconductor layer 43 having a lattice constant of at least one cycle. The third lattice constant is substantially equal to the first lattice constant. The fifth lattice constant is substantially equal to the second lattice constant. The fourth lattice constant has a value between the third lattice constant and the fifth lattice constant.

第3半導体層41を形成する工程は、TMGガス及びNH3ガスを供給し、第1のバッファ領域30の最上の第2半導体層32の上にGaNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。第4半導体層42を形成する工程は、TMGガス、TMAガス及びNH3ガスを供給して、第3半導体層41上に厚さ60nmのAlGaNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。このとき、TMAガスの流量を徐々に増加させるように調節することにより傾斜したAl組成比を有する第4半導体層42を形成することができる。   The step of forming the third semiconductor layer 41 may include a step of supplying TMG gas and NH 3 gas and depositing GaN on the uppermost second semiconductor layer 32 of the first buffer region 30 by epitaxial growth. The step of forming the fourth semiconductor layer 42 may include a step of depositing AlGaN having a thickness of 60 nm on the third semiconductor layer 41 by epitaxial growth by supplying TMG gas, TMA gas, and NH 3 gas. At this time, the fourth semiconductor layer 42 having an inclined Al composition ratio can be formed by adjusting the flow rate of the TMA gas so as to gradually increase.

第5半導体層43を形成する工程は、TMAガス及びNH3ガスを供給し、第4半導体層42の上に厚さ60nmのAlNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。第2のバッファ領域40を形成する工程は、これらを順に含むサイクルを繰り返し、成長時間を調節して第3半導体層41のGaNの厚さを300nm、370nm、470nm、600nm、790nm、1040nmのように変化させる工程を含んでよい。   The step of forming the fifth semiconductor layer 43 may include a step of supplying TMA gas and NH 3 gas and depositing 60 nm thick AlN on the fourth semiconductor layer 42 by epitaxial growth. In the process of forming the second buffer region 40, cycles including these are repeated, and the growth time is adjusted so that the GaN thickness of the third semiconductor layer 41 is 300 nm, 370 nm, 470 nm, 600 nm, 790 nm, 1040 nm, and so on. The process of changing to may be included.

活性層70を形成する工程は、電子走行層50を形成する工程と、電子走行層50の上に電子供給層60を形成する工程を含む。電子走行層50を形成する工程は、TMGガス及びNH3ガスを供給して、第2のバッファ領域40の最上の第5半導体層43の上に、厚さ1200nmのGaNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。電子供給層60を形成する工程は、TMAガス、TMGガス、NH3ガス、及びSiH4ガスを供給して、電子走行層50の上に厚さ25nmのSiドープのAlGaNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。   The step of forming the active layer 70 includes a step of forming the electron transit layer 50 and a step of forming the electron supply layer 60 on the electron transit layer 50. The step of forming the electron transit layer 50 includes a step of supplying TMG gas and NH 3 gas and depositing GaN having a thickness of 1200 nm on the uppermost fifth semiconductor layer 43 of the second buffer region 40 by epitaxial growth. May include. The step of forming the electron supply layer 60 includes a step of supplying TMA gas, TMG gas, NH3 gas, and SiH4 gas and depositing Si-doped AlGaN having a thickness of 25 nm on the electron transit layer 50 by epitaxial growth. It's okay.

少なくとも2つの電極(72、74、76)を形成する工程は、基板10の表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、電極用の開口を形成する工程と、電極を形成する工程を含んでよい。基板10の表面にシリコン酸化膜を形成する工程は、MOCVD装置から基板10を取り出し、プラズマCVD装置に基板10を搬入して、基板10の表面全体にシリコン酸化膜を形成する工程を含んでよい。   The step of forming at least two electrodes (72, 74, 76) may include a step of forming a silicon oxide film on the surface of the substrate 10, a step of forming an opening for the electrode, and a step of forming the electrode. . The step of forming the silicon oxide film on the surface of the substrate 10 may include a step of removing the substrate 10 from the MOCVD apparatus, loading the substrate 10 into the plasma CVD apparatus, and forming a silicon oxide film on the entire surface of the substrate 10. .

電極用の開口を形成する工程は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりソース電極及びドレイン電極用の開口を形成する工程を含んでよい。電極を形成する工程は、電子ビーム蒸着によりTiとAlを順次積層し、リフトオフ法により電子供給層60とオーミック接触するソース電極72及びドレイン電極76を形成する工程を含んでよい。   The step of forming the opening for the electrode may include a step of forming the opening for the source electrode and the drain electrode by photolithography and etching. The step of forming the electrode may include a step of sequentially stacking Ti and Al by electron beam evaporation and forming a source electrode 72 and a drain electrode 76 that are in ohmic contact with the electron supply layer 60 by a lift-off method.

電極用の開口を形成する工程は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりゲート電極用の開口を形成する工程を含んでよい。電極を形成する工程は電子ビーム蒸着によりPtとAuを順次積層し、リフトオフ法により電子供給層60とショットキー接触するゲート電極74を形成する工程を含んでよい。   The step of forming the opening for the electrode may include a step of forming the opening for the gate electrode by photolithography and etching. The step of forming an electrode may include a step of sequentially stacking Pt and Au by electron beam evaporation and forming a gate electrode 74 that is in Schottky contact with the electron supply layer 60 by a lift-off method.

図13は、本発明の第2実施形態に係る半導体素子200の断面図を示す。半導体素子200は、第2のバッファ領域40の構成が半導体素子100と異なる。半導体素子200の第2のバッファ領域40以外の構成は、半導体素子100と同一であってよい。   FIG. 13 is a sectional view of a semiconductor device 200 according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor element 200 is different from the semiconductor element 100 in the configuration of the second buffer region 40. The configuration of the semiconductor element 200 other than the second buffer region 40 may be the same as that of the semiconductor element 100.

半導体素子200における第2のバッファ領域40の複合層は、第5半導体層43の上に第6半導体層44をさらに有する。第6半導体層44は第5半導体層43に接して形成される。第6半導体層44は、第3の格子定数と第5の格子定数の間の第6の格子定数を有する。第6半導体層44は、第3半導体層41と第5半導体層43の間の熱膨張係数を有する。第6半導体層44はAlx6Iny6Ga1−x6−y6N(ただし、0<x6≦1、0≦y6≦1 、x6+y6≦1)を含む。 The composite layer of the second buffer region 40 in the semiconductor element 200 further includes a sixth semiconductor layer 44 on the fifth semiconductor layer 43. The sixth semiconductor layer 44 is formed in contact with the fifth semiconductor layer 43. The sixth semiconductor layer 44 has a sixth lattice constant between the third lattice constant and the fifth lattice constant. The sixth semiconductor layer 44 has a thermal expansion coefficient between the third semiconductor layer 41 and the fifth semiconductor layer 43. The sixth semiconductor layer 44 includes Al x6 In y6 Ga 1-x6-y6 N (where 0 <x6 ≦ 1, 0 ≦ y6 ≦ 1, x6 + y6 ≦ 1).

第6半導体層44は例えばAlGaNである。第6半導体層44は、Alの組成比に応じた格子定数及び熱膨張係数を有する。第6半導体層44は、格子定数が、基板10に近い側から遠い側に向かって増加している。つまり、第6半導体層44は、Alの割合が基板10に近い側から遠い側に向かって減少する。第1半導体層31から第6半導体層44は、Alの組成比の間にx1≒x3、x2≒x5、x1、x3≦x4、x6≦x2、x5の関係を有する。   The sixth semiconductor layer 44 is, for example, AlGaN. The sixth semiconductor layer 44 has a lattice constant and a thermal expansion coefficient corresponding to the Al composition ratio. The sixth semiconductor layer 44 has a lattice constant that increases from the side closer to the substrate 10 toward the side farther from the side. That is, in the sixth semiconductor layer 44, the Al ratio decreases from the side closer to the substrate 10 toward the side farther from the side. The first semiconductor layer 31 to the sixth semiconductor layer 44 have a relationship of x1≈x3, x2≈x5, x1, x3 ≦ x4, x6 ≦ x2, and x5 between the Al composition ratios.

第2のバッファ領域40は、第3半導体層41、第4半導体層42、第5半導体層43及び第6半導体層44が順に積層された複合層を例えば6層有する。それぞれの複合層において、第3半導体層41の層厚は、例えば、基板10側から順に230nm、310nm、410nm、540nm、730nm、980nmである。第4半導体層42の層厚は例えば60nmで一定である。第5半導体層43の層厚は例えば60nmで一定である。第6半導体層44の膜厚は例えば60nmで一定である。   The second buffer region 40 includes, for example, six composite layers in which a third semiconductor layer 41, a fourth semiconductor layer 42, a fifth semiconductor layer 43, and a sixth semiconductor layer 44 are sequentially stacked. In each composite layer, the thickness of the third semiconductor layer 41 is, for example, 230 nm, 310 nm, 410 nm, 540 nm, 730 nm, and 980 nm in order from the substrate 10 side. The layer thickness of the fourth semiconductor layer 42 is constant, for example, 60 nm. The layer thickness of the fifth semiconductor layer 43 is constant, for example, 60 nm. The film thickness of the sixth semiconductor layer 44 is constant at 60 nm, for example.

図14は、第2のバッファ領域40の膜厚方向におけるAl組成比の変化を示す。ここでは、第3半導体層41のAlの割合を0%とし、第5半導体層43のAlの割合を100%として示すが、これに限定されない。第4半導体層42のAlの割合は第3半導体層41から第5半導体層43に向かって直線的に増加している。第6半導体層44のAlの割合は第5半導体層43から第3半導体層41に向かって直線的に減少している。半導体素子200について、各層の膜厚、各層の材料、印加電圧等の条件を、半導体素子100の場合と同様の条件としてリーク電流を測定した結果、リーク電流は約1E−9Aとなり、半導体素子100に比べてさらに低減された。   FIG. 14 shows a change in the Al composition ratio in the film thickness direction of the second buffer region 40. Here, the Al ratio of the third semiconductor layer 41 is set to 0%, and the Al ratio of the fifth semiconductor layer 43 is set to 100%. However, the present invention is not limited to this. The proportion of Al in the fourth semiconductor layer 42 increases linearly from the third semiconductor layer 41 toward the fifth semiconductor layer 43. The proportion of Al in the sixth semiconductor layer 44 decreases linearly from the fifth semiconductor layer 43 toward the third semiconductor layer 41. With respect to the semiconductor element 200, the leakage current was measured with the conditions such as the thickness of each layer, the material of each layer, the applied voltage, and the like being the same as those of the semiconductor element 100. As a result, the leakage current was about 1E-9A It was further reduced compared to.

次に、本発明の第2実施形態に係る半導体素子200の製造方法を説明する。半導体素子200の製造方法は、第2のバッファ領域40を形成する工程以外は半導体素子100の製造方法と同様なので説明を省略する。第2のバッファ領域40を形成する工程は、第3の格子定数を有する第3半導体層41を形成する工程と、第4の格子定数を有する第4半導体層42を形成する工程と、第5の格子定数を有する第5半導体層43を形成する工程と、第6の格子定数を有する第6半導体層44を形成する工程とを順に含むサイクルを少なくとも一回繰り返す工程を有する。第3の格子定数は第1の格子定数と略等しい。第5の格子定数は第2の格子定数と略等しい。第6の格子定数は第3の格子定数と第5の格子定数の間の値を有する。第4の格子定数は第3の格子定数と第5の格子定数の間の値を有する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor element 200 according to the second embodiment of the present invention will be described. Since the manufacturing method of the semiconductor element 200 is the same as the manufacturing method of the semiconductor element 100 except for the step of forming the second buffer region 40, the description thereof is omitted. The step of forming the second buffer region 40 includes a step of forming a third semiconductor layer 41 having a third lattice constant, a step of forming a fourth semiconductor layer 42 having a fourth lattice constant, A step of repeating a cycle including the step of forming the fifth semiconductor layer 43 having the lattice constant of 6 and the step of forming the sixth semiconductor layer 44 having the sixth lattice constant at least once. The third lattice constant is substantially equal to the first lattice constant. The fifth lattice constant is substantially equal to the second lattice constant. The sixth lattice constant has a value between the third lattice constant and the fifth lattice constant. The fourth lattice constant has a value between the third lattice constant and the fifth lattice constant.

第3半導体層41を形成する工程は、TMGガス及びNH3ガスを供給し、第1のバッファ領域30の最上の第2半導体層32の上にGaNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。第4半導体層42を形成する工程は、TMGガス、TMAガス及びNH3ガスを供給して、第3半導体層41上に厚さ60nmのAlGaNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。このとき、TMAガスの流量を徐々に増加させるように調節することにより傾斜したAl組成比を有する第4半導体層42を形成することができる。   The step of forming the third semiconductor layer 41 may include a step of supplying TMG gas and NH 3 gas and depositing GaN on the uppermost second semiconductor layer 32 of the first buffer region 30 by epitaxial growth. The step of forming the fourth semiconductor layer 42 may include a step of depositing AlGaN having a thickness of 60 nm on the third semiconductor layer 41 by epitaxial growth by supplying TMG gas, TMA gas, and NH 3 gas. At this time, the fourth semiconductor layer 42 having an inclined Al composition ratio can be formed by adjusting the flow rate of the TMA gas so as to gradually increase.

第5半導体層43を形成する工程は、TMAガス及びNH3ガスを供給し、第4半導体層42の上に厚さ60nmのAlNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。第6半導体層44を形成する工程は、TMGガス、TMAガス及びNH3ガスを供給して、第4半導体層42上に厚さ60nmのAlGaNをエピタキシャル成長により堆積する工程を含んでよい。このとき、TMAガスの流量を徐々に減少させるように調節することにより傾斜したAl組成比を有する第6半導体層44を形成することができる。第2のバッファ領域40を形成する工程は、第3半導体層41を形成する工程から第6半導体層44を形成する工程までの工程を繰り返す。このとき、成長時間を調節して第3半導体層41のGaNの厚さを230nm、310nm、410nm、540nm、730nm、980nmのように変化させてよい。   The step of forming the fifth semiconductor layer 43 may include a step of supplying TMA gas and NH 3 gas and depositing 60 nm thick AlN on the fourth semiconductor layer 42 by epitaxial growth. The step of forming the sixth semiconductor layer 44 may include a step of depositing AlGaN having a thickness of 60 nm on the fourth semiconductor layer 42 by epitaxial growth by supplying TMG gas, TMA gas, and NH 3 gas. At this time, the sixth semiconductor layer 44 having an inclined Al composition ratio can be formed by adjusting the flow rate of the TMA gas so as to gradually decrease. The step of forming the second buffer region 40 repeats the steps from the step of forming the third semiconductor layer 41 to the step of forming the sixth semiconductor layer 44. At this time, the growth time may be adjusted to change the GaN thickness of the third semiconductor layer 41 to 230 nm, 310 nm, 410 nm, 540 nm, 730 nm, and 980 nm.

図15は、第4半導体層42及び第6半導体層44におけるAl組成比変化の他の例を示す。第4半導体層42のAlの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて曲線状に増加している。なお、Alの組成比の増加は、第5半導体層43に近いほど急峻である。   FIG. 15 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44. The Al composition ratio of the fourth semiconductor layer 42 increases in a curved shape from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43. Note that the increase in the Al composition ratio is steeper as it is closer to the fifth semiconductor layer 43.

また、第6半導体層44のAlの組成比は、第5半導体層43から第3半導体層41にかけて曲線状に減少している。なお、Alの組成比の減少は、第3半導体層41に近いほど急峻である。第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100よりも低くなった。   Further, the Al composition ratio of the sixth semiconductor layer 44 decreases in a curved shape from the fifth semiconductor layer 43 to the third semiconductor layer 41. Note that the decrease in the Al composition ratio is steeper as it is closer to the third semiconductor layer 41. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図16は、第4半導体層42及び第6半導体層44におけるAl組成比変化の他の例を示す。第4半導体層42のAlの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて5%のステップで段階的に増加している。また、第6半導体層44のAlの組成比は、第5半導体層43から第3半導体層41にかけて5%のステップで段階的に減少している。第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100よりも低くなった。   FIG. 16 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44. The Al composition ratio of the fourth semiconductor layer 42 increases stepwise from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43 in 5% steps. Further, the Al composition ratio of the sixth semiconductor layer 44 gradually decreases from the fifth semiconductor layer 43 to the third semiconductor layer 41 in steps of 5%. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図17は、第4半導体層42及び第6半導体層44におけるAl組成比変化の他の例を示す。第4半導体層42のAlの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて25%のステップで段階的に増加している。また、第6半導体層44のAlの組成比は、第5半導体層43から第3半導体層41にかけて25%のステップで段階的に減少している。第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100よりも低くなった。   FIG. 17 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44. The Al composition ratio of the fourth semiconductor layer 42 increases stepwise from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43 in 25% steps. Further, the Al composition ratio of the sixth semiconductor layer 44 gradually decreases from the fifth semiconductor layer 43 to the third semiconductor layer 41 in 25% steps. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図18は、第4半導体層42及び第6半導体層44におけるAl組成比変化の他の例を示す。第4半導体層42のAlの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて途中まで直線的に増加し、その後減少し、再び直線的に増加している。また、第6半導体層44のAlの組成比は、第5半導体層43から第3半導体層41にかけて途中まで直線的に減少し、その後増加し、再び直線的に減少している。第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100よりも低くなった。   FIG. 18 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44. The Al composition ratio of the fourth semiconductor layer 42 increases linearly halfway from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43, then decreases, and increases linearly again. In addition, the Al composition ratio of the sixth semiconductor layer 44 decreases linearly from the fifth semiconductor layer 43 to the third semiconductor layer 41, increases thereafter, and decreases linearly again. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図19は、第4半導体層42及び第6半導体層44におけるAl組成比変化の他の例を示す。第4半導体層42のAlの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて途中まで曲線状に増加しその後段階的に増加している。なお、Alの組成比が曲線状に変化する領域では、Alの組成比の増加は、第5半導体層43に近いほど急峻である。   FIG. 19 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44. The Al composition ratio of the fourth semiconductor layer 42 increases in a curve from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43 and then increases stepwise. In the region where the Al composition ratio changes in a curved line, the increase in the Al composition ratio is steeper as it is closer to the fifth semiconductor layer 43.

また、第6半導体層44のAlの組成比は、第5半導体層43から第3半導体層41にかけて途中まで段階的に減少し途中から曲線状に減少している。なお、Alの組成比が曲線状に変化する領域では、Alの組成比の減少は、第3半導体層41に近いほど急峻である。第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100よりも低くなった。   In addition, the Al composition ratio of the sixth semiconductor layer 44 gradually decreases in the middle from the fifth semiconductor layer 43 to the third semiconductor layer 41 and decreases in a curved shape from the middle. In the region where the Al composition ratio changes in a curved line, the decrease in the Al composition ratio is steeper as it is closer to the third semiconductor layer 41. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図20は、第4半導体層42及び第6半導体層44におけるAl組成比変化の他の例を示す。第4半導体層42のAlの組成比は、第3半導体層41から第5半導体層43にかけて曲線状に増加している。なお、Alの組成比の増加は、第5半導体層43に近いほど急峻である。   FIG. 20 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44. The Al composition ratio of the fourth semiconductor layer 42 increases in a curved shape from the third semiconductor layer 41 to the fifth semiconductor layer 43. Note that the increase in the Al composition ratio is steeper as it is closer to the fifth semiconductor layer 43.

また、第6半導体層44のAlの組成比は、第5半導体層43から第3半導体層41にかけて段階的に減少している。第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100よりも低くなった。   In addition, the Al composition ratio of the sixth semiconductor layer 44 gradually decreases from the fifth semiconductor layer 43 to the third semiconductor layer 41. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図21は、第4半導体層42及び第6半導体層44におけるAl組成比変化の他の例を示す。第4半導体層42及び第6半導体層44は、厚さが第5半導体層43より薄く、第5半導体層43と同一組成の層62を、第5半導体層43から離間した位置に有する。第4半導体層42および第6半導体層44は、層62を一定の間隔で複数有してよい。第4半導体層42および第6半導体層44は、層の途中に例えば厚さ約1nmのAlN層を有する。こうすることで、さらに反りを制御することができる。また、第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100よりも低くなった。   FIG. 21 shows another example of Al composition ratio change in the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44. The fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are thinner than the fifth semiconductor layer 43 and have a layer 62 having the same composition as that of the fifth semiconductor layer 43 at a position spaced from the fifth semiconductor layer 43. The fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 may include a plurality of layers 62 at regular intervals. The fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 have, for example, an AlN layer having a thickness of about 1 nm in the middle of the layer. In this way, warpage can be further controlled. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this way, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

また、第4半導体層42及び第6半導体層44は、第5半導体層43との境界及び第3半導体層41との境界の少なくとも一方に、厚さが第5半導体層43より薄い半導体層を有してよい。当該半導体層は、第4半導体層42または第6半導体層44と接する層と異なる組成を有する。   Further, the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are provided with a semiconductor layer having a thickness smaller than that of the fifth semiconductor layer 43 at least one of the boundary with the fifth semiconductor layer 43 and the boundary with the third semiconductor layer 41. You may have. The semiconductor layer has a composition different from that of the layer in contact with the fourth semiconductor layer 42 or the sixth semiconductor layer 44.

図22は、第3半導体層41と第4半導体層42との境界、および、第5半導体層43と第6半導体層44との境界に、第5半導体層43より薄い半導体層62が形成された場合の、Al組成比変化の例を示す。例えば、第4半導体層42は、第3半導体層41との境界に、第5半導体層43と同一組成の半導体層62を有する。半導体層62は、厚さ約1nmのAlN層であってよい。   In FIG. 22, a semiconductor layer 62 thinner than the fifth semiconductor layer 43 is formed at the boundary between the third semiconductor layer 41 and the fourth semiconductor layer 42 and at the boundary between the fifth semiconductor layer 43 and the sixth semiconductor layer 44. An example of the change in the Al composition ratio is shown. For example, the fourth semiconductor layer 42 includes a semiconductor layer 62 having the same composition as the fifth semiconductor layer 43 at the boundary with the third semiconductor layer 41. The semiconductor layer 62 may be an AlN layer having a thickness of about 1 nm.

また、第6半導体層44は、第3半導体層41との境界に半導体層62を有してよい。こうすることで、反りをプラス方向に制御することができた。また、第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100よりも低くなった。   The sixth semiconductor layer 44 may have a semiconductor layer 62 at the boundary with the third semiconductor layer 41. In this way, the warp could be controlled in the positive direction. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this way, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図23は、第4半導体層42と第5半導体層43との境界、および、第5半導体層43と第6半導体層44との境界に、第5半導体層43より薄い半導体層64が形成された場合のAl組成比変化の他の例を示す。例えば、第4半導体層42は、第5半導体層43との境界に、第3半導体層41と同一組成の半導体層を有する。半導体層64は、厚さ約2nmのGaN層であってよい。   In FIG. 23, a semiconductor layer 64 thinner than the fifth semiconductor layer 43 is formed at the boundary between the fourth semiconductor layer 42 and the fifth semiconductor layer 43 and at the boundary between the fifth semiconductor layer 43 and the sixth semiconductor layer 44. Another example of the change in the Al composition ratio is shown. For example, the fourth semiconductor layer 42 has a semiconductor layer having the same composition as the third semiconductor layer 41 at the boundary with the fifth semiconductor layer 43. The semiconductor layer 64 may be a GaN layer having a thickness of about 2 nm.

また、第6半導体層44は、第5半導体層43との境界に半導体層64を有してよい。こうすることで、第2のバッファ領域40の表面の結晶性が良くなり平坦化することができた。また、第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100より低くなった。   Further, the sixth semiconductor layer 44 may have a semiconductor layer 64 at the boundary with the fifth semiconductor layer 43. By doing so, the crystallinity of the surface of the second buffer region 40 was improved and the surface could be planarized. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this way, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図24は、第4半導体層42および第6半導体層44のそれぞれと、隣接する層との境界において、半導体層62または半導体層64が形成された場合のAl組成比変化の他の例を示す。各境界に形成される半導体層62および半導体層64は、図22および図23に示した半導体層62および半導体層64と同様であってよい。   FIG. 24 shows another example of Al composition ratio change when the semiconductor layer 62 or the semiconductor layer 64 is formed at the boundary between each of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 and the adjacent layer. . The semiconductor layer 62 and the semiconductor layer 64 formed at each boundary may be the same as the semiconductor layer 62 and the semiconductor layer 64 shown in FIGS.

本例の、第4半導体層42は、第3半導体層41との境界に厚さ約0.2nmのAlN層を有してよい。また、第4半導体層42は、第5半導体層43との境界に厚さ約0.2nmのGaN層を有してよい。また、第6半導体層44は、第5半導体層43との境界に厚さ約0.2nmのGaN層を有してよい。また、第6半導体層44は、第1半導体層31との境界に厚さ約0.2nmのAlN層を有してよい。   The fourth semiconductor layer 42 of this example may have an AlN layer having a thickness of about 0.2 nm at the boundary with the third semiconductor layer 41. The fourth semiconductor layer 42 may have a GaN layer having a thickness of about 0.2 nm at the boundary with the fifth semiconductor layer 43. The sixth semiconductor layer 44 may include a GaN layer having a thickness of about 0.2 nm at the boundary with the fifth semiconductor layer 43. The sixth semiconductor layer 44 may include an AlN layer having a thickness of about 0.2 nm at the boundary with the first semiconductor layer 31.

こうすることで反りを制御しつつ第2のバッファ領域40の表面の結晶性を良くし平坦化することができる。また、第4半導体層42及び第6半導体層44をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100よりも低くなった。   By doing so, the crystallinity of the surface of the second buffer region 40 can be improved and planarized while controlling the warpage. Even when the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are configured in this way, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図25は、半導体素子200の第2のバッファ領域40における複合層ごとの第4半導体層42及び第6半導体層44の層厚を変化させた場合の、各複合層のAl組成比の変化例を示す。ここで、基板10に最も近い複合層を第1層目とし、基板10に最も遠い複合層を第6層目とする。   FIG. 25 shows an example of a change in the Al composition ratio of each composite layer when the thickness of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 for each composite layer in the second buffer region 40 of the semiconductor element 200 is changed. Indicates. Here, the composite layer closest to the substrate 10 is the first layer, and the composite layer farthest from the substrate 10 is the sixth layer.

本例では、基板10から離れるに従い、第4半導体層42および第6半導体層44の膜厚を小さくした。これに伴い、第1層目の複合層から第6層目の複合層に向かって、第4半導体層42及び第6半導体層44のAl組成比の傾きが大きくなっている。   In this example, the thickness of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 is reduced as the distance from the substrate 10 increases. Accordingly, the inclination of the Al composition ratio of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 increases from the first composite layer to the sixth composite layer.

図26は、図25に示した例の各複合層における第4半導体層42と第6半導体層44の層厚を示す。なお図26における横軸は、第1層目から第6層目までの複合層を示す。第4半導体層42及び第6半導体層44は第1層目から第6層目まで一定の割合で厚さが減少している。第2のバッファ領域40をこのように構成した場合であっても、半導体素子200のリーク電流は、半導体素子100より低くなった。   FIG. 26 shows the layer thickness of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 in each composite layer of the example shown in FIG. Note that the horizontal axis in FIG. 26 indicates the composite layers from the first layer to the sixth layer. The thicknesses of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 are reduced at a constant rate from the first layer to the sixth layer. Even when the second buffer region 40 is configured in this manner, the leakage current of the semiconductor element 200 is lower than that of the semiconductor element 100.

図27は、第2のバッファ領域40の複合層数が異なる例におけるリーク電流及び反り量との関係を示す。なお本例では、半導体素子200の総膜厚を一定にし、かつ、第1のバッファ領域30および第2のバッファ領域40における総複合層数を12とした。また、図27における横軸は、AlGaN層が含まれている複合層の数、すなわち、第2のバッファ領域40の複合層の数を示す。   FIG. 27 shows the relationship between the leakage current and the amount of warpage in examples in which the number of composite layers in the second buffer region 40 is different. In this example, the total film thickness of the semiconductor element 200 is constant, and the total number of composite layers in the first buffer region 30 and the second buffer region 40 is 12. In addition, the horizontal axis in FIG. 27 indicates the number of composite layers including the AlGaN layer, that is, the number of composite layers in the second buffer region 40.

第2のバッファ領域40の複合数がゼロの場合(すなわち、第2のバッファ領域40が無い場合)には、バッファ層として機能するのは第1のバッファ領域30のみとなる。この場合、リーク電流は1E−6Aと大きい値を有し、反り量はプラス方向に大きい値を有する。   When the composite number of the second buffer area 40 is zero (that is, when there is no second buffer area 40), only the first buffer area 30 functions as a buffer layer. In this case, the leak current has a large value of 1E-6A, and the warpage amount has a large value in the positive direction.

第2のバッファ領域40が複合層を1層有すると、リーク電流は1E−8A以下まで低減され、反り量も大きく減少する。そして、第2のバッファ領域40の複合層数を増やすに従い、リーク電流及び反り量が徐々に減少する。   When the second buffer region 40 has one composite layer, the leakage current is reduced to 1E-8A or less, and the amount of warpage is greatly reduced. As the number of composite layers in the second buffer region 40 increases, the leakage current and the amount of warpage gradually decrease.

ただし、第2のバッファ領域40の複合層数が12の場合(すなわち、第1のバッファ領域30が無い場合)には、バッファ層として機能するのは第2のバッファ領域40のみとなる。この場合、リーク電流は1E−10Aまで減少するが、反り量がマイナス方向へ大きい値を有する。このため、基板は大きく下に凸に反ってしまいデバイス作成が困難となり好ましくない。したがって、第1のバッファ領域30と第2のバッファ領域40を組み合わせることが有効である。   However, when the number of composite layers in the second buffer area 40 is 12 (that is, when there is no first buffer area 30), only the second buffer area 40 functions as a buffer layer. In this case, the leakage current decreases to 1E-10A, but the warpage amount has a large value in the minus direction. For this reason, the substrate is greatly bent downward and undesirably difficult to produce a device. Therefore, it is effective to combine the first buffer area 30 and the second buffer area 40.

図28は、第2のバッファ領域40の第4半導体層42及び第6半導体層44の厚さとリーク電流との関係を示す。なお図28における横軸は、AlGaN1層あたりの厚さ、すなわち、第4半導体層42及び第6半導体層44の1層あたりの厚さを示す。   FIG. 28 shows the relationship between the thickness of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 in the second buffer region 40 and the leakage current. The horizontal axis in FIG. 28 indicates the thickness per AlGaN layer, that is, the thickness per layer of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44.

第4半導体層42及び第6半導体層44の厚さが1nm未満ではリーク電流が約1E−6Aである。第4半導体層42及び第6半導体層44の厚さを1nm以上とすると、リーク電流は約1E−7Aに減少する。したがって、第4半導体層42及び第6半導体層44の厚さは1nm以上が好ましい。   When the thickness of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 is less than 1 nm, the leakage current is about 1E-6A. When the thickness of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 is 1 nm or more, the leakage current is reduced to about 1E-7A. Therefore, the thickness of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 is preferably 1 nm or more.

図29は、第5半導体層43をAlGaNとした場合の第5半導体層43のAlの組成比とリーク電流との関係を示す。この場合、第4半導体層42と第6半導体層44の最大Al組成比は、第5半導体層43のAl組成比と一致する。図29に示すように、第5半導体層43のAlの組成比を低下させるに従いリーク電流は減少する。しかしながら、Al組成比が50%以下になると、第2のバッファ領域40の歪みを制御できなくなり、活性層70にクラックが発生する場合がある。第5半導体層43は、Al組成比が50%より大きいAlGaNであってよい。   FIG. 29 shows the relationship between the Al composition ratio of the fifth semiconductor layer 43 and the leakage current when the fifth semiconductor layer 43 is made of AlGaN. In this case, the maximum Al composition ratio of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 matches the Al composition ratio of the fifth semiconductor layer 43. As shown in FIG. 29, the leakage current decreases as the Al composition ratio of the fifth semiconductor layer 43 decreases. However, when the Al composition ratio is 50% or less, the distortion of the second buffer region 40 cannot be controlled, and a crack may occur in the active layer 70. The fifth semiconductor layer 43 may be AlGaN having an Al composition ratio larger than 50%.

図30は、第2半導体層32及び第5半導体層43中にドーピングするC濃度とリーク電流との関係を示す。ドーピングするC濃度が1E17cm−3以上で9E19cm−3以下であればリーク電流は約7E−8A以下となり良好である。しかし、Cドープ濃度が1E17cm−3未満、または1E20cm−3以上になると、第2半導体層32及び第5半導体層43が低抵抗となりリーク電流が大きくなって好ましくない。したがって、第2半導体層32及び第5半導体層43に1E17cm−3以上1E20cm−3未満の範囲のドープ濃度でCをドーピングすることが好ましい。 FIG. 30 shows the relationship between the C concentration doped into the second semiconductor layer 32 and the fifth semiconductor layer 43 and the leakage current. If the doping C concentration is 1E17 cm −3 or more and 9E19 cm −3 or less, the leakage current is about 7E-8A or less, which is favorable. However, when the C doping concentration is less than 1E17 cm −3 or 1E20 cm −3 or more, the second semiconductor layer 32 and the fifth semiconductor layer 43 have a low resistance and a leakage current increases, which is not preferable. Therefore, it is preferable to dope C into the second semiconductor layer 32 and the fifth semiconductor layer 43 at a doping concentration in the range of 1E17 cm −3 or more and less than 1E20 cm −3 .

図31は、第1半導体層31及び第3半導体層41中にドーピングするC濃度とリーク電流との関係を示す。ドーピングするC濃度が1E18cm−3以上で9E19cm−3以下であればリーク電流は約1E−9Aとなり良好である。しかし、Cドープ濃度が1E17cm−3未満、または1E20cm−3以上になると、第1半導体層31及び第3半導体層41が低抵抗となりリーク電流が大きくなって好ましくない。したがって、第1半導体層31及び第3半導体層41に1E18cm−3以上1E20cm−3未満の範囲のドープ濃度でCをドーピングすることが好ましい。 FIG. 31 shows the relationship between the C concentration doped in the first semiconductor layer 31 and the third semiconductor layer 41 and the leakage current. When the doping C concentration is 1E18 cm −3 or more and 9E19 cm −3 or less, the leakage current is about 1E-9A, which is favorable. However, when the C doping concentration is less than 1E17 cm −3 or 1E20 cm −3 or more, the first semiconductor layer 31 and the third semiconductor layer 41 have a low resistance and a leakage current increases, which is not preferable. Therefore, it is preferable to dope C into the first semiconductor layer 31 and the third semiconductor layer 41 at a doping concentration in the range of 1E18 cm −3 or more and less than 1E20 cm −3 .

図32は、第1のバッファ領域30の第1半導体層31の層厚及び複合層数、第2のバッファ領域40の複合層数及び第3半導体層41の層厚が異なる例1から5を示す。それぞれの例において、複合層数は、介在層20の上に積層される複合層の順番を示し、厚さはそれぞれの複合層における第1半導体層31または第3半導体層41の層厚を示す。   FIG. 32 shows examples 1 to 5 in which the thickness and the number of composite layers of the first semiconductor layer 31 in the first buffer region 30, the number of composite layers in the second buffer region 40 and the layer thickness of the third semiconductor layer 41 are different. Show. In each example, the number of composite layers indicates the order of the composite layers stacked on the intervening layer 20, and the thickness indicates the layer thickness of the first semiconductor layer 31 or the third semiconductor layer 41 in each composite layer. .

例1から5において、第3半導体層41は第1半導体層31より層が厚い。また、第2のバッファ領域40の各複合層の第3半導体層41は、基板10から離れる方向に層の厚みが徐々に増している。例5において、超格子構造は、厚さが5nmの第1半導体層31と厚さが5nmの第2半導体層32から成るペアが20回繰り返されて構成されている。   In Examples 1 to 5, the third semiconductor layer 41 is thicker than the first semiconductor layer 31. Further, the thickness of the third semiconductor layer 41 of each composite layer in the second buffer region 40 gradually increases in the direction away from the substrate 10. In Example 5, the superlattice structure is configured by repeating a pair of a first semiconductor layer 31 having a thickness of 5 nm and a second semiconductor layer 32 having a thickness of 5 nm 20 times.

図33は、例1から例5の反り量及びリーク電流の測定結果を示す。いずれの例もリーク電流を9E−9A以下に低減させることができ、反り量を+30から−30の範囲に制御することができた。これらの結果より、第1のバッファ領域30の第1半導体層31の厚さを400nm以上とし、第2のバッファ領域40の複合層の第3半導体層41の厚さを第1半導体層31の厚さより厚くし、かつ、基板から離れる方向に徐々に厚くする構成が好ましいことがわかる。   FIG. 33 shows the measurement results of the warpage amount and leakage current of Examples 1 to 5. In both examples, the leakage current could be reduced to 9E-9A or less, and the amount of warpage could be controlled in the range of +30 to -30. From these results, the thickness of the first semiconductor layer 31 of the first buffer region 30 is set to 400 nm or more, and the thickness of the third semiconductor layer 41 of the composite layer of the second buffer region 40 is set to the thickness of the first semiconductor layer 31. It can be seen that a configuration in which the thickness is thicker than the thickness and gradually thicker in the direction away from the substrate is preferable.

第1半導体層31及び第3半導体層41の層厚は5nm以上で、かつ、最も厚い層の層厚は400nm以上、3000nm以下であってよい。第1半導体層31及び第3半導体層41のうち最も厚い層の層厚が400nm以上であれば、発生する反り量を制御できるので好ましい。また、最も厚い層の層厚が3000nm以下であれば、成長時間が十分に短いので生産性が高く好ましい。   The first semiconductor layer 31 and the third semiconductor layer 41 may have a thickness of 5 nm or more, and the thickest layer may have a thickness of 400 nm or more and 3000 nm or less. It is preferable that the thickness of the thickest layer of the first semiconductor layer 31 and the third semiconductor layer 41 is 400 nm or more because the amount of warpage generated can be controlled. Moreover, if the thickness of the thickest layer is 3000 nm or less, the growth time is sufficiently short, so that productivity is high and preferable.

第2半導体層32及び第5半導体層43の層厚は、0.5nm以上であれば第1半導体層31及び第3半導体層41に内在する歪みを十分に抑制し、クラックの発生を抑えることができるので好ましい。また、第2半導体層32及び第5半導体層43の層厚は、200nm以下であれば、成長時間が十分に短いので生産性が高く好ましい。   If the thickness of the second semiconductor layer 32 and the fifth semiconductor layer 43 is 0.5 nm or more, the strain inherent in the first semiconductor layer 31 and the third semiconductor layer 41 is sufficiently suppressed, and the generation of cracks is suppressed. Is preferable. In addition, if the thickness of the second semiconductor layer 32 and the fifth semiconductor layer 43 is 200 nm or less, the growth time is sufficiently short, which is preferable because of high productivity.

第1のバッファ領域30、第2のバッファ領域40及び活性層70を合わせたエピタキシャル層の総膜厚は、リーク電流を抑制し、十分な耐圧を得るために4μm以上であることが好ましい。また、第4半導体層42及び第6半導体層44の膜組成は、ひとつの複合層において対称でなくてもよく、発生する歪みを制御し、かつ、リーク電流を低減できればどのような膜組成であってもよい。複合層数の合計は2以上であればよく、総膜厚、反り量、転位密度などに応じて変更してよい。   The total thickness of the epitaxial layer including the first buffer region 30, the second buffer region 40, and the active layer 70 is preferably 4 μm or more in order to suppress leakage current and obtain a sufficient breakdown voltage. Further, the film composition of the fourth semiconductor layer 42 and the sixth semiconductor layer 44 may not be symmetrical in one composite layer, and any film composition can be used as long as the generated strain can be controlled and the leakage current can be reduced. There may be. The total number of composite layers may be two or more, and may be changed according to the total film thickness, warpage amount, dislocation density, and the like.

半導体素子100および200としてHEMT型の電界効果トランジスタを例に説明してきたが、半導体素子100および200はこれに限定されず、絶縁ゲート型(MISFET、MOSFET)、ショットキーゲート型(MESFET)などの電界効果トランジスタにも適用することができる。また、ソース電極72、ゲート電極74、ドレイン電極76の代わりにカソード電極及びアノード電極を設けることで形成される各種のダイオードに対しても適用することができる。   Although the HEMT type field effect transistor has been described as an example of the semiconductor elements 100 and 200, the semiconductor elements 100 and 200 are not limited to this, and may be an insulated gate type (MISFET, MOSFET), a Schottky gate type (MESFET), or the like. It can also be applied to a field effect transistor. The present invention can also be applied to various diodes formed by providing a cathode electrode and an anode electrode instead of the source electrode 72, the gate electrode 74, and the drain electrode 76.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.

10・・・基板、20・・・介在層、30・・・第1のバッファ領域、31・・・第1半導体層、32・・・第2半導体層、40・・・第2のバッファ領域、41・・・第3半導体層、42・・・第4半導体層、43・・・第5半導体層、44・・・第6半導体層、50・・・電子走行層、52・・・AlN層、54・・・GaN層、56・・・三角ポテンシャル、60・・・電子供給層、62、64・・・層、70・・・活性層、72・・・ソース電極、74・・・ゲート電極、76・・・ドレイン電極、100、200・・・半導体素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Substrate, 20 ... Intervening layer, 30 ... First buffer region, 31 ... First semiconductor layer, 32 ... Second semiconductor layer, 40 ... Second buffer region 41... 3rd semiconductor layer 42... 4th semiconductor layer 43... 5th semiconductor layer 44... 6th semiconductor layer 50. Layer, 54 ... GaN layer, 56 ... triangular potential, 60 ... electron supply layer, 62, 64 ... layer, 70 ... active layer, 72 ... source electrode, 74 ... Gate electrode, 76... Drain electrode, 100, 200... Semiconductor element

Claims (20)

基板と、
前記基板の上方に形成された第1のバッファ領域と、
前記第1のバッファ領域上に形成された第2のバッファ領域と、
前記第2のバッファ領域上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された少なくとも2つの電極と、
を備え
前記第1のバッファ領域は、
第1の格子定数を有する第1半導体層と、
前記第1の格子定数と異なる第2の格子定数を有する第2半導体層とが順に積層した複合層を少なくとも一層有し、
前記第2のバッファ領域は、
前記第1の格子定数と略等しい第3の格子定数を有する第3半導体層と、
第4の格子定数を有する第4半導体層と、
前記第2の格子定数と略等しい第5の格子定数を有する第5半導体層とが順に積層した複合層を少なくとも一層有し、
前記第4の格子定数は、前記第3の格子定数と前記第5の格子定数の間の値を有する半導体素子。
A substrate,
A first buffer region formed above the substrate;
A second buffer area formed on the first buffer area;
An active layer formed on the second buffer region;
At least two electrodes formed on the active layer;
The first buffer area comprises
A first semiconductor layer having a first lattice constant;
Having at least one composite layer in which a second semiconductor layer having a second lattice constant different from the first lattice constant is sequentially stacked;
The second buffer area is
A third semiconductor layer having a third lattice constant substantially equal to the first lattice constant;
A fourth semiconductor layer having a fourth lattice constant;
Having at least one composite layer in which a fifth semiconductor layer having a fifth lattice constant substantially equal to the second lattice constant is sequentially stacked;
The fourth lattice constant is a semiconductor element having a value between the third lattice constant and the fifth lattice constant.
前記第1半導体層の熱膨張係数、前記第2半導体層の熱膨張係数、前記第3半導体層の熱膨張係数、前記第4半導体層の熱膨張係数及び前記第5半導体層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記第4半導体層の熱膨張係数は前記第3半導体層の熱膨張係数と前記第5半導体層の熱膨張係数との間の値を有する請求項1に記載の半導体素子。   The thermal expansion coefficient of the first semiconductor layer, the thermal expansion coefficient of the second semiconductor layer, the thermal expansion coefficient of the third semiconductor layer, the thermal expansion coefficient of the fourth semiconductor layer, and the thermal expansion coefficient of the fifth semiconductor layer are: The thermal expansion coefficient of the fourth semiconductor layer is greater than the thermal expansion coefficient of the substrate, and the thermal expansion coefficient of the fourth semiconductor layer has a value between the thermal expansion coefficient of the third semiconductor layer and the thermal expansion coefficient of the fifth semiconductor layer. The semiconductor element as described. 前記基板と前記第1のバッファ領域との間に、前記第1の格子定数より小さい格子定数及び前記基板の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有する介在層をさらに備える請求項1または2に記載の半導体素子。   The interposition layer which has a lattice constant smaller than the said 1st lattice constant and a thermal expansion coefficient larger than the thermal expansion coefficient of the said board | substrate between the said board | substrate and the said 1st buffer area | region is further provided. Semiconductor element. 前記第1半導体層、前記第2半導体層、前記第3半導体層、前記第4半導体層、及び前記第5半導体層は、窒化物系化合物半導体を含む請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体素子。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, the third semiconductor layer, the fourth semiconductor layer, and the fifth semiconductor layer include a nitride-based compound semiconductor. The semiconductor element as described. 前記第4半導体層の格子定数は、前記基板に近い側から遠い側に向かって減少している請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体素子。   5. The semiconductor element according to claim 1, wherein a lattice constant of the fourth semiconductor layer decreases from a side closer to the substrate toward a side farther from the substrate. 前記第1の格子定数は、前記基板の格子定数より小さく、前記第2の格子定数は前記第1の格子定数より小さい請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体素子。   6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first lattice constant is smaller than a lattice constant of the substrate, and the second lattice constant is smaller than the first lattice constant. 前記第4半導体層は、厚さが前記第5半導体層より薄く、前記第5半導体層と同一組成の層を、前記第5半導体層から離間した位置に有する請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体素子。   7. The fourth semiconductor layer according to claim 1, wherein the fourth semiconductor layer is thinner than the fifth semiconductor layer, and has a layer having the same composition as the fifth semiconductor layer at a position spaced apart from the fifth semiconductor layer. The semiconductor element according to item. 前記第4半導体層は、前記第3半導体層との境界及び前記第5半導体層との境界の少なくとも一方に、厚さが前記第5半導体層より薄く、且つ、前記境界において前記第4半導体層と接する層とは異なる組成の層を有する、請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体素子。   The fourth semiconductor layer is thinner than the fifth semiconductor layer at at least one of a boundary with the third semiconductor layer and a boundary with the fifth semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer is formed at the boundary. The semiconductor element according to claim 1, which has a layer having a composition different from that of the layer in contact with the layer. 前記第1半導体層はAlx1Iny1Ga1−x1−y1N(ただし、0≦x1<1、0≦y1≦1、x1+y1≦1)を含み、
前記第2半導体層はAlx2Iny2Ga1−x2−y2N(ただし、0<x2≦1、0≦y2≦1、x2+y2≦1)を含み、
前記第3半導体層はAlx3Iny3Ga1−x3−y3N(ただし、0≦x3<1、0≦y3≦1、x3+y3≦1)を含み、
前記第4半導体層はAlx4Iny4Ga1−x4−y4N(ただし、0<x4≦1、0≦y4≦1、x4+y4≦1)を含み、
前記第5半導体層はAlx5Iny5Ga1−x5−y5N(ただし、0<x5≦1、0≦y5≦1 、x5+y5≦1)を含み、
x1、x3≦x4≦x2、x5であり、
前記第4半導体層は、Alの割合が前記基板に近い側から遠い側に向かって増加する請求項1から8のいずれか一項に記載の半導体素子。
The first semiconductor layer includes Al x1 In y1 Ga 1-x1-y1 N (where 0 ≦ x1 <1, 0 ≦ y1 ≦ 1, x1 + y1 ≦ 1),
The second semiconductor layer includes Al x2 In y2 Ga 1-x2-y2 N (where 0 <x2 ≦ 1, 0 ≦ y2 ≦ 1, x2 + y2 ≦ 1),
The third semiconductor layer includes Al x3 In y3 Ga 1-x3-y3 N (where 0 ≦ x3 <1, 0 ≦ y3 ≦ 1, x3 + y3 ≦ 1),
The fourth semiconductor layer includes Al x4 In y4 Ga 1-x4-y4 N (where 0 <x4 ≦ 1, 0 ≦ y4 ≦ 1, x4 + y4 ≦ 1),
The fifth semiconductor layer includes Al x5 In y5 Ga 1-x5-y5 N (where 0 <x5 ≦ 1, 0 ≦ y5 ≦ 1, x5 + y5 ≦ 1),
x1, x3 ≦ x4 ≦ x2, x5,
9. The semiconductor element according to claim 1, wherein the fourth semiconductor layer has an Al ratio that increases from a side closer to the substrate toward a side farther from the substrate.
前記第2のバッファ領域の前記複合層は、前記第5半導体層上に前記第3の格子定数と前記第5の格子定数の間の第6の格子定数を有する第6半導体層をさらに有する、
請求項1から9のいずれか一項に記載の半導体素子。
The composite layer of the second buffer region further includes a sixth semiconductor layer having a sixth lattice constant between the third lattice constant and the fifth lattice constant on the fifth semiconductor layer;
The semiconductor element as described in any one of Claim 1 to 9.
前記第6半導体層の熱膨張係数は、前記基板の熱膨張係数より大きく、かつ、前記第3半導体層の熱膨張係数と前記第5半導体層の熱膨張係数との間の値を有する請求項10に記載の半導体素子。   The thermal expansion coefficient of the sixth semiconductor layer is greater than the thermal expansion coefficient of the substrate and has a value between the thermal expansion coefficient of the third semiconductor layer and the thermal expansion coefficient of the fifth semiconductor layer. 10. The semiconductor element according to 10. 前記第6半導体層は、窒化物系化合物半導体を含む請求項10または11に記載の半導体素子。   The semiconductor device according to claim 10, wherein the sixth semiconductor layer includes a nitride compound semiconductor. 前記第6半導体層の格子定数は前記基板に近い側から遠い側に向かって増加している請求項10から12のいずれか一項に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 10, wherein a lattice constant of the sixth semiconductor layer increases from a side closer to the substrate toward a side farther from the substrate. 前記第6半導体層は、厚さが前記第5半導体層より薄く、前記第5半導体層と同一組成の層を、前記第5半導体層から離間した位置に有する請求項10から13のいずれか一項に記載の半導体素子。   The sixth semiconductor layer has a thickness smaller than that of the fifth semiconductor layer, and has a layer having the same composition as that of the fifth semiconductor layer at a position spaced apart from the fifth semiconductor layer. The semiconductor element according to item. 前記第6半導体層は、前記第5半導体層との境界及び前記第3半導体層との境界の少なくとも一方に、厚さが前記第5半導体層より薄く、且つ、前記境界において前記第6半導体層と接する層と異なる組成の層を有する、請求項10から14のいずれか一項に記載の半導体素子。   The sixth semiconductor layer is thinner than the fifth semiconductor layer at at least one of a boundary with the fifth semiconductor layer and a boundary with the third semiconductor layer, and the sixth semiconductor layer at the boundary. The semiconductor element according to claim 10, which has a layer having a composition different from that of the layer in contact with the layer. 前記第6半導体層はAlx6Iny6Ga1−x6−y6N(ただし、0<x6≦1、0≦y6≦1 、x6+y6≦1)を含み、
x1、x3≦x4、x6≦x2、x5であり、
前記第6半導体層は、Alの割合が前記基板に近い側から遠い側に向かって減少する
請求項10から15のいずれか一項に記載の半導体素子。
The sixth semiconductor layer includes Al x6 In y6 Ga 1-x6-y6 N (where 0 <x6 ≦ 1, 0 ≦ y6 ≦ 1, x6 + y6 ≦ 1),
x1, x3 ≦ x4, x6 ≦ x2, x5,
The semiconductor element according to claim 10, wherein the sixth semiconductor layer has an Al ratio that decreases from a side closer to the substrate toward a side farther from the substrate.
前記第4半導体層及び前記第6半導体層は、前記複合層ごとに厚さが異なる請求項10から16のいずれか一項に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 10, wherein the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer have different thicknesses for each composite layer. 前記第4半導体層及び前記第6半導体層は、厚さが1nm以上である請求項10から17のいずれか一項に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 10, wherein the fourth semiconductor layer and the sixth semiconductor layer have a thickness of 1 nm or more. 基板を用意する工程と、
前記基板の上方に第1のバッファ領域を形成する工程と、
前記第1のバッファ領域上に第2のバッファ領域を形成する工程と、
前記第2のバッファ領域上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上に少なくとも2つの電極を形成する工程と
を備え
前記第1のバッファ領域を形成する工程は、
第1の格子定数を有する第1半導体層を形成する工程と、
前記第1の格子定数と異なる第2の格子定数を有する第2半導体層を形成する工程とを順に含むサイクルを少なくとも一回繰り返す工程を有し、
前記第2のバッファ領域を形成する工程は、
前記第1の格子定数と略等しい第3の格子定数を有する第3半導体層を形成する工程と、
第4の格子定数を有する第4半導体層を形成する工程と、
前記第2の格子定数と略等しい第5の格子定数を有する第5半導体層とを形成する工程とを順に含むサイクルを少なくとも一回繰り返す工程を有し、
前記第4の格子定数は、前記第3の格子定数と前記第5の格子定数の間の値を有する半導体素子の製造方法。
Preparing a substrate;
Forming a first buffer region above the substrate;
Forming a second buffer region on the first buffer region;
Forming an active layer on the second buffer region;
Forming at least two electrodes on the active layer, and forming the first buffer region,
Forming a first semiconductor layer having a first lattice constant;
A step of repeating at least once a cycle including a step of forming a second semiconductor layer having a second lattice constant different from the first lattice constant,
Forming the second buffer region comprises:
Forming a third semiconductor layer having a third lattice constant substantially equal to the first lattice constant;
Forming a fourth semiconductor layer having a fourth lattice constant;
A step of sequentially repeating a cycle including a step of forming a fifth semiconductor layer having a fifth lattice constant substantially equal to the second lattice constant,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the fourth lattice constant has a value between the third lattice constant and the fifth lattice constant.
基板を用意する工程と、
前記基板の上方に第1のバッファ領域を形成する工程と、
前記第1のバッファ領域上に第2のバッファ領域を形成する工程と、
前記第2のバッファ領域上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上に少なくとも2つの電極を形成する工程と
を備え
前記第1のバッファ領域を形成する工程は、
第1の格子定数を有する第1半導体層を形成する工程と、
前記第1の格子定数と異なる第2の格子定数を有する第2半導体層を形成する工程とを順に含むサイクルを少なくとも一回繰り返す工程を有し、
前記第2のバッファ領域を形成する工程は、
前記第1の格子定数と略等しい第3の格子定数を有する第3半導体層を形成する工程と、
第4の格子定数を有する第4半導体層を形成する工程と、
前記第2の格子定数と略等しい第5の格子定数を有する第5半導体層を形成する工程と、
前記第3の格子定数と前記第5の格子定数の間の第6の格子定数を有する第6半導体層を形成する工程とを順に含むサイクルを少なくとも一回繰り返す工程を有し、
前記第4の格子定数は前記第3の格子定数と前記第5の格子定数の間の値を有する半導体素子の製造方法。
Preparing a substrate;
Forming a first buffer region above the substrate;
Forming a second buffer region on the first buffer region;
Forming an active layer on the second buffer region;
Forming at least two electrodes on the active layer, and forming the first buffer region,
Forming a first semiconductor layer having a first lattice constant;
A step of repeating at least once a cycle including a step of forming a second semiconductor layer having a second lattice constant different from the first lattice constant,
Forming the second buffer region comprises:
Forming a third semiconductor layer having a third lattice constant substantially equal to the first lattice constant;
Forming a fourth semiconductor layer having a fourth lattice constant;
Forming a fifth semiconductor layer having a fifth lattice constant substantially equal to the second lattice constant;
A step of repeating a cycle including the step of forming a sixth semiconductor layer having a sixth lattice constant between the third lattice constant and the fifth lattice constant at least once,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the fourth lattice constant has a value between the third lattice constant and the fifth lattice constant.
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